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1.lvs简介

keepalived和lvs系列笔记主要内容来之Git，地址：https://github.com/ibanmen/lvs-keepalived/blob/master/lvs.md

基本介绍​

LB集群的架构和原理很简单，就是当用户的请求过来时，会直接分发到Director Server上，然后它把用户的请求根据设置好的调度算法，智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样，需要用到了共享存储，这样保证所有用户请求的数据是一样的。

LVS是Linux Virtual Server的简写，即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网站是 http://www.linuxvirtualserver.org。LVS工作在一台server上提供Directory（负载均衡器）的功能，本身并不提供服务，只是把特定的请求转发给对应的realserver（真正提供服务的主机），从而实现集群环境中的负载均衡。LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。

lvs技术简介​

VS集群采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且调度器自动屏蔽掉服务器的故障，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。整个服务器集群的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。为此，在设计时需要考虑系统的透明性、可伸缩性、高可用性和易管理性。

集群采用三层结构​

一般来说，LVS集群采用三层结构，其主要组成部分为：

  • A.负载调度器（load balancer），它是整个集群对外面的前端机，负责将客户的请求发送到一组服务器上执行，而客户认为服务是来自一个IP地址（我们可称之为虚拟IP地址）上的。
  • B.服务器池（server pool），是一组真正执行客户请求的服务器，执行的服务有WEB、MAIL、FTP和DNS等。
  • C.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

常见的负载均衡类型​

根据工作在的协议层划分可划分为：

  • 四层负载均衡：根据请求报文中的目标地址和端口进行调度
  • 七层负载均衡：根据请求报文的内容进行调度，这种调度属于「代理」的方式

根据软硬件划分：

  • 硬件负载均衡：

    • F5 的 BIG-IP
    • Citrix 的 NetScaler 这类硬件负载均衡器通常能同时提供四层和七层负载均衡，但同时也价格不菲

  • 软件负载均衡：

    • TCP 层：LVS，HaProxy，Nginx
    • 基于 HTTP 协议：Haproxy，Nginx，ATS（Apache Traffic Server），squid，varnish
    • 基于 MySQL 协议：mysql-proxy

LVS的基本工作原理​

  1. 当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间
  2. PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链
  3. IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链
  4. POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

LVS的组成​

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，在 2.4.23 之前，必须向内核打补丁，并重新编译内核。在 2.4.23 和 2.6 之后的版本，ipvs 直接内置在内核中。。
  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)

LVS相关术语​

  • 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：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/NAT原理和特点​

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

提示：

重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。

LVS-NAT模型的特性​

  • RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
  • DIP和RIP必须在同一个网段内
  • 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
  • 支持端口映射
  • 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原理和特点​

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​

  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. 不支持地址转换，也不支持端口映射
  5. RS可以是大多数常见的操作系统
  6. RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
  7. RS上的lo接口配置VIP的IP地址
  8. 缺陷：RS和DS必须在同一机房中

特点1的解决方案​

  1. 在前端路由器做静态地址路由绑定，将对于VIP的地址仅路由到Director Server
  2. 存在问题：用户未必有路由操作权限，因为有可能是运营商提供的，所以这个方法未必实用
  3. arptables：在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则，过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的
  4. 修改RS上内核参数（arp_ignore和arp_announce）将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

LVS/Tun原理和特点​

原理​

在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IIP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP)

  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，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
  4. POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
  5. RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 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-Tun模型特性​

  • IP、VIP、DIP全是公网地址
  • RS的网关不会也不可能指向DIP
  • 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
  • 不支持端口映射
  • RS的系统必须支持隧道

其实企业中最常用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便，后边实践中会总结 DR 和 NAT 具体使用配置过程。

NAT/DR/TUN比较​

比较TUNNATDR
配置复杂度复杂简单复杂
拓展性很好差好
支持数量>100<20>100
特点封装IP地址转化修改MAC
支持OS需要支持IPIP隧道Any大部分

LVS的八种调度算法​

  1. 轮叫调度 （round robin）
    • round robin（rr），这种算法是最简单的，就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上，该算法最大的特点就是简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器，不管后端 RS 配置和处理能力，非常均衡地分发下去。
  2. 加权轮叫 （weighted round robin）
    • weighted round robin（wrr），这种算法比 rr 的算法多了一个权重的概念，可以给 RS 设置权重，权重越高，那么分发的请求数越多，权重的取值范围 0 – 100。主要是对rr算法的一种优化和补充， LVS 会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加要给权值，如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。
  3. 最少链接 （least connted）
    • least connted（lc），这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1
  4. 加权最少链接（weighted lc）
    • weighted lc（wlc），这个算法比 lc 多了一个权重的概念。
  5. 基于局部性的最少连接调度算法（locality based least connection）
    • locality based least connection（lblc），这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则会继续选择其它可行的服务器
  6. 复杂的基于局部性最少的连接算法 （locality based least connection with replication）
    • locality based least connection with replication（lblcr），记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录，它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。
  7. 目标地址散列调度算法（destination hash）
    • destination hash（dh），该算法是根据目标 IP 地址通过散列函数将目标 IP 与服务器建立映射关系，出现服务器不可用或负载过高的情况下，发往该目标 IP 的请求会固定发给该服务器。
  8. 源地址散列调度算法 （source hash）
    • source hash（sh），与目标地址散列调度算法类似，但它是根据源地址散列算法进行静态分配固定的服务器资源。