什么是LVS

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前言

    本篇文章介绍什么是LVS，主要从介绍LVS，谈谈什么是负载均衡，LVS的组成、术语以及LVS的模式和特点，以及优缺点。

LVS是什么？

    LVS是一个虚拟的服务器集群系统，在unix系统下实现负载均衡的功能；采用IP负载均衡技术和机遇内容请求分发技术来实现。

LVS采用三层结构，分别是：
第一层： 负载调度器
第二层： 服务池
第三层：共享存储

• 负载调度器（load balancer/ Director）：是整个集群的总代理，它有两个网卡，一个网卡面对访问网站的客户端，一个网卡面对整个集群的内部。负责将客户端的请求发送到一组服务器上执行，而客户也认为服务是来自这台主的。举个生动的例子，集群是个公司，负载调度器就是在外接揽生意，将接揽到的生意分发给后台的真正干活的真正的主机们。当然需要将活按照一定的算法分发下去，让大家都公平的干活。
• 服务器池（server pool/ Realserver）：是一组真正执行客户请求的服务器，可以当做WEB服务器。就是上面例子中的小员工。
• 共享存储（shared storage）：它为服务器池提供一个共享的存储区，这样很容易使得服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务。一个公司得有一个后台账目吧，这才能协调。不然客户把钱付给了A，而换B接待客户，因为没有相同的账目。B说客户没付钱，那这样就不是客户体验度的问题了。

负载均衡的原理是什么？

    当客户端发起请求时，请求直接发给Director Server（调度器），这时会根据设定的调度算法，将请求按照算法的规定智能的分发到真正的后台服务器。以达到将压力均摊。

但是我们知道，http的连接时无状态的，假设这样一个场景，我登录某宝买东西，当我看上某款商品时，我将它加入购物车，但是我刷新了一下页面，这时由于负载均衡的原因，调度器又选了新的一台服务器为我提供服务，我刚才的购物车内容全都不见了，这样就会有十分差的用户体验。

所以就还需要一个存储共享，这样就保证了用户请求的数据是一样的

LVS由哪两部分组成的？

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. ipvs(ip virtual server)：一段代码工作在内核空间，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。
2. ipvsadm：另外一段是工作在用户空间，叫ipvsadm，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)

与lvs相关的术语

• DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
• RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
• VIP：Virtual IP 向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
• DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
• RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
• CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

LVS 负载均衡的策略

LVS一共有三种工作模式： DR，Tunnel,NAT

主要介绍LVS-DR和LVS-NAT。

LVS-NAT模式

LVS-NAT模式的原理

1. 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
2. PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
3. IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP， 然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP
4. POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server
5. Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
6. Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP

LVS-NAT模型的特性

特点：

1. RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
2. DIP和RIP必须在同一个网段内
3. 请求和响应报文都需要经过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈
4. 支持端口映射
5. RS可以使用任意操作系统

缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server

LVS-DR模式

LVS-DR模式原理

1. 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
2. PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
3. IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址
4. 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。
5. RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
6. 响应报文最终送达至客户端

LVS-DR模型的特性

特点：

1. 保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS
2. RS可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对RIP进行直接访问
3. RS跟Director Server必须在同一个物理网络中
4. 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
5. 不支持地址转换，也不支持端口映射
6. RS可以是大多数常见的操作系统
7. RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
8. RS上的lo接口配置VIP的IP地址

缺陷：RS和DS必须在同一机房中

LVS三种负载均衡模式的比较

类目NATTUNDR操作系统任意支持隧道多数（支持non-arp）服务器网络私有网络局域网/广域网局域网服务器数目10-20100大于100服务器网关负载均衡器自己的路由自己的路由效率一般高最高

LVS的负载调度算法

• 轮叫调度(RR)：调度器通过“轮叫”调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载。
• 加权轮叫（WRR)：调度器通过“加权轮叫”调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器能处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
• 最少链接(LC)：调度器通过“最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用“最小连接”调度算法可以较好地均衡负载。
• 加权最少链接(WLC)：在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用“加权最少链接”调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
• 基于局部性的最少链接(LBLC)：“基于局部性的最少链接”调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用“最少链接” 的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器。
• 带复制的基于局部性最少链接（(LBLCR)：“带复制的基于局部性最少链接”调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个目标 IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按“最小连接”原则从服务器组中选出一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器超载，则按“最小连接”原则从这个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器。同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的程度。
• 目标地址散列(DH)：“目标地址散列”调度算法根据请求的目标IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
• 源地址散列(SH)：“源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。

LVS与nginx的区别

lvs的优势（互联网老辛）

1. 抗负载能力强，因为lvs工作方式的逻辑是非常简单的，而且工作在网络的第4层，仅作请求分发用，没有流量，所以在效率上基本不需要太过考虑。lvs一般很少出现故障，即使出现故障一般也是其他地方（如内存、CPU等）出现问题导致lvs出现问题。
2. 配置性低，这通常是一大劣势同时也是一大优势，因为没有太多的可配置的选项，所以除了增减服务器，并不需要经常去触碰它，大大减少了人为出错的几率。
3. 工作稳定，因为其本身抗负载能力很强，所以稳定性高也是顺理成章的事，另外各种lvs都有完整的双机热备方案，所以一点不用担心均衡器本身会出什么问题，节点出现故障的话，lvs会自动判别，所以系统整体是非常稳定的。
4. 无流量，lvs仅仅分发请求，而流量并不从它本身出去，所以可以利用它这点来做一些线路分流之用。没有流量同时也保住了均衡器的IO性能不会受到大流量的影响。
5. lvs基本上能支持所有应用，因为lvs工作在第4层，所以它可以对几乎所有应用做负载均衡，包括http、数据库、聊天室等。

nginx与LVS的对比

• nginx工作在网络的第7层，所以它可以针对http应用本身来做分流策略，比如针对域名、目录结构等，相比之下lvs并不具备这样的功能，所以nginx单凭这点可以利用的场合就远多于lvs了；但nginx有用的这些功能使其可调整度要高于lvs，所以经常要去触碰，由lvs的第2条优点来看，触碰多了，人为出现问题的几率也就会大。
• nginx对网络的依赖较小，理论上只要ping得通，网页访问正常，nginx就能连得通，nginx同时还能区分内外网，如果是同时拥有内外网的节点，就相当于单机拥有了备份线路；lvs就比较依赖于网络环境，目前来看服务器在同一网段内并且lvs使用direct方式分流，效果较能得到保证。另外注意，lvs需要向托管商至少申请多于一个ip来做visual ip。
• nginx安装和配置比较简单，测试起来也很方便，因为它基本能把错误用日志打印出来。lvs的安装和配置、测试就要花比较长的时间，因为同上所述，lvs对网络依赖性比较大，很多时候不能配置成功都是因为网络问题而不是配置问题，出了问题要解决也相应的会麻烦的多。
• nginx也同样能承受很高负载且稳定，但负载度和稳定度差lvs还有几个等级：nginx处理所有流量所以受限于机器IO和配置；本身的bug也还是难以避免的；nginx没有现成的双机热备方案，所以跑在单机上还是风险比较大，单机上的事情全都很难说。
• nginx可以检测到服务器内部的故障，比如根据服务器处理网页返回的状态码、超时等等，并且会把返回错误的请求重新提交到另一个节点。目前lvs中ldirectd也能支持针对服务器内部的情况来监控，但lvs的原理使其不能重发请求。比如用户正在上传一个文件，而处理该上传的节点刚好在上传过程中出现故障，nginx会把上传切到另一台服务器重新处理，而lvs就直接断掉了。

两者配合使用

• nginx用来做http的反向代理，能够upsteam实现http请求的多种方式的均衡转发。由于采用的是异步转发可以做到如果一个服务器请求失败，立即切换到其他服务器，直到请求成功或者最后一台服务器失败为止。这可以最大程度的提高系统的请求成功率。
• lvs采用的是同步请求转发的策略。这里说一下同步转发和异步转发的区别。同步转发是在lvs服务器接收到请求之后，立即redirect到一个后端服务器，由客户端直接和后端服务器建立连接。异步转发是nginx在保持客户端连接的同时，发起一个相同内容的新请求到后端，等后端返回结果后，由nginx返回给客户端。
• 进一步来说：当做为负载均衡服务器的nginx和lvs处理相同的请求时，所有的请求和响应流量都会经过nginx；但是使用lvs时，仅请求流量经过lvs的网络，响应流量由后端服务器的网络返回。
• 也就是，当作为后端的服务器规模庞大时，nginx的网络带宽就成了一个巨大的瓶颈。
• 但是仅仅使用lvs作为负载均衡的话，一旦后端接受到请求的服务器出了问题，那么这次请求就失败了。但是如果在lvs的后端在添加一层nginx（多个），每个nginx后端再有几台应用服务器，那么结合两者的优势，既能避免单nginx的流量集中瓶颈，又能避免单lvs时一锤子买卖的问题。