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LVS介绍及工作原理图解

简介:
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LVS介绍及工作原理图解

 原文:http://m.mamicode.com/info-detail-1488579.html


    很多人使用过LVS集群系统,但对于LVS集群,大多数人不清楚它到底是个什么东西。接下来我们就聊聊LVS及其工作原理。

一.lvs介绍

      LVS的英文全名为“Linux Virtual Server”,即Linux虚拟服务器,是一个虚拟的四层交换器集群系统,根据目标地址和目标端口实现用户请求转发,本身不产生流量,只做用户请求转发,目前是负载均衡性能最好的集群系统。

二.Lvs原理介绍

  图示如下:

 技术分享

  1.首先用户向负载均衡器调度器(Director Server)发起请求,负载均衡器将请求发往至内核空间,交给内核模块进行检测。

  2.内核模块中的PREROUTING链首先会收到用户请求,判断目标地址是否是负载均衡器的IP地址,如果是,则将数据包发往INPUT链。

  3.IPVS模块是工作在INPUT链上的,当用户请求到达INPUT链上时,IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务作对比,如果用户请求的就是定义的集群服务,那么IPVA会强行修改数据包里的目标IP地址和目标端口,并将新的数据包发往POSTROUTING链。

  4.POSTROUTING链接收到数据包发现目标IP地址刚好是自己的后端的服务器,那么通过选路,将数据包最终发送给后端的服务器。

三.lvs组成结构

 lvs有两组代码,ipvs和ipvsadm。

  ipvs(ip virtual server):即ip虚拟服务,是工作在内核空间上的一段代码,主要是实现调度的代码。

  ipvsadm:工作在用户空间,负责为ipvs内核框架编写规则,定义谁是集群服务,谁是后端真实服务器。

四.lvs术语

  DS:Director Server,目标服务器,即负载均衡器。

  RS:Real Server,真实服务器,即后端服务器。

五.lvs关于IP的术语

  VIP:virtual IP是外部直接面向用户请求,作为用户请求的目标IP地址。

  DIP:Director Server IP.主要用于和内部主机通信的IP地址。

  RIP:Real Server IP

  CIP:Client IP,客户端IP

注:负载均衡器使用双网卡,一块是指向外部的VIP,一块是指向内部的IP,用于和内部服务器通信。

六.lvs的类型  

根据架构有3种不同的模型
 1、lvs-nat  (Network Address Translation)(建议小规模使用)

 2、lvs-dr (Direct Routing 直接路由)(建议大规模使用,也是现在较多使用场景的方法)

 3、lvs-tun  (Tunneling 隧道)(lvs-tun模型比较少用,因为它不能实现全局负载均衡,不能根据用户区域的距离来挑选最近的机房。这个最多为了实现异地容灾来实现的。比方说日本的机房地震了,而此时美国的机房仍然可使用,那么只要将指向到美国机房即可。而一般只有这种场景下才会用到隧道机制)

七.lvs-nat模型

   主要是修改目标IP地址为挑选出新的RS的IP地址。即请求进入负载均衡器时做DNAT,响应出负载均衡器时做SNAT。

技术分享

1.当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文会先到达内核的PREROUTING链,此时报文的源IP是CIP,目标IP是VIP。

2.PREROUTING链检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链。

3.IPVS内核模块比对数据包请求的服务是否为集群服务,如果是,则修改数据包的目标IP为后端服务器的IP,然后将数据包发至POSTROUTING链,做DNAT转换。此时报文的源IP是CIP,目标IP是RIP

4.POSTROUTING链通过选路,将数据包发送到Real Server。

5.Real Server比对发现目标IP是自己的IP,开始建立响应报文发回给Director Server,此时报文的源IP是RIP,目标IP是CIP.

6.Director Server在响应客户端之前,此时会将源IP地址修改为自己的IP地址,然后响应给客户端,做SNAT转换。此时报文的源IP是VIP。目标IP是CIP。

特性:

1.RS必须使用私有地址,将RS的网关指向DIP。

2.DIP和RIP必须是同一网段内。

3.请求和响应报文都要经过Director Server,高负载场景中,Director Server会出现性能瓶颈。

4.支持端口映射

5.RS可以使用任意操作系统

八.lvs-dr模型

    将请求报文的目标MAC地址设定为天选出来的RS的MAC地址。即做MAC地址转换。

技术分享

1.当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文huixiandao内核空间的PREROUTING链,此时报文的IP是CIP,目标IP是VIP。

2.PREROUTING链检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链,

3.IPVS内核模块比对数据包请求的服务是否为集群服务,如果是,将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址,将目标MAC地址修改为RIP的MAC地址,然后将数据包发至POETROUTING链中,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实在同一网络中,所以两者之间的通信时通过二层协议来传输。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,就接受此报文,处理完成以后,将响应报文通过IO接口传送给eth0网卡,然后向外发出,不经过负载均衡器。此时源IP地址为VIP,目标IP是CIP。

6.响应报文最终送至客户端。

特性:

  1. 保证前端路由将目标地址为VIP的报文全部发送给DS,而不是RS。

    解决方案:

    (1).在前端路由做静态地址路由绑定,将对于VIP的地址仅路由到DS上。

    存在问题:用户未必有权限操作路由,

    (2).arptables:在arp层次上实现arp解析时做防火墙规则,过滤RS响应arp请求,由iptables提供。

    (3).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,并限制不能响应对VIP地址的解析请求。

2.RS可以使用私有地址,也可以使用公网地址,如果使用公网地址,可以直接对RIP进行直接访问。

3.RS和DS必须在同一物理网络中(即必须是同一物理网络)。

4.所有的请求报文经由DS,但响应报文必须不能经过DS。

5.不支持地址转换,即整个过程和不转换IP地址,只转换MAC地址。也不支持端口映射。

6.RS可以使大多数操作系统

7.RS的网关绝对不允许指向DIP,因为不允许响应报文经过DS。

8.RS的lo接口配置VIP的地址。

九.lvs-tun模型

    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,目标地址为VIP)外部IP地址首部(源地址为DIP,目标地址为RIP)

技术分享

  1. 当用户请求报文到达DS,此时请求的数据报文会先到内核的PREROUTING链。此时源IP是CIP,目标IP是VIP。

  2. PREROUTING链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,如果是,在请求报文的首部再次封装一层IP报文,封装源IP为DIP,目标IP是RIP,然后发至POSTROUTING链。此时源IP是为DIP,目标IP是RIP。

  4. POSTROUTING链根据最新封装的IP报文,将数据包发至RS(因为外层封装多了一层IP首部,所以可以理解为此时通过隧道传输)。此时源IP是DIP,目标IP是RIP。

  5. RS收到报文后发现是自己的IP地址,就会将报文接受下来,拆除最外层的IP后,会发现里面还有一层IP首部,而且目标地址是自己的lo接口VIP,那么此时RS开始处理此请求,处理完成滞后,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. 响应报文送达至客户端。

特性:

  1. RIP、VIP、DIP全为公网地址。

  2. RS的网关不会也不可能指向DIP。

  3. 所有的请求报文经由DS,但响应报文必须不能经过DS。

  4. 不支持端口映射。

  5. RS的系统必须支持隧道模型。

十.LVS的调度算法

    分为静态方法和动态方法。

1.静态算法

  • rr:round robin,轮循,按照顺序将请求分配到后端真实服务器上,不考虑后端服务器负载。

  • wrr:weight round robin,带权重的轮询。意为能者多劳,根据后端真实服务器的性能来进行调度,根据后端真实服务器的负载情况,修改权重值来实现动态的调度。

  • sh:source hashing,源地址hash,将来自于同一个源IP的请求始终被丁香转发到同一个RS,目的是为了session持久功能,仅实现session的绑定。

  • dh:destination hashing,目标地址hash,主要用于实现当你的内部主机有多个防火墙出口时有用。

2.动态算法

  • lc:least connection,最少连接,通过监控后端RS的连接数,根据TCP协议中的某些计数器来判断,将请求调度到已建立的连接数最少后端的真实服务器。计算方法:Overhead=Active*256+Inactive

Overhead:负载均衡

Overhead越小,表示负载越低。

  • wlc:weight lc,加权最少连接

    在集群系统中的服务器,如果性能差异较大的情况下,调度器可以根据采用“加权的最少连接”调度算法来提高负载均衡性能,权值较高的RS将会承接更大比例的负载连接。所以调度器可以根据“加权的最少连接”来判断服务器的负载情况,并动态调整其权重值。

    计算方法:Overhead=(Active*256+Inactive)/weight

  • sed:shortest expertion delay最短期望延迟

    基于WLC算法,Overhead = (ACTIVE+1)*256/加权,不再考虑非活动状态,把当前处于活动状态的数目+1来实现,数目最小的,接受下次请求,+1的目的是为了考虑加权的时候,非活动连接过多缺陷:当权限过大的时候,会倒置空闲服务器一直处于无连接状态。

    计算方法:Overhead=((Active+1)*256)/weight, 让权重大的优先接收请求

  • nq:Never Queue,永不排队
    可以理解第一个请求上来先轮一圈,就是每个都先响应一次,然后在接着使用上面那种方法计算让谁响应。如果有台Real Server的连接数=0就直接分配过去,不需要在进行sed运行。

  • lblc:Locality-Based Least connection基于本地的最小连接
    基于局部性的最少连接算法是针对请求报文的目标IP地址的负载均衡调度。主要用于Cache集群系统,因为Cache中客户请求报文的目标IP会不断发生改变。所以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Real Server,若该服务器是可用的且没有超载,就会使用“最少链接”来挑选一台可用的服务器,将请求发送到该服务器

  • lblcr:Replicated lblc带复制功能的lblc,是dh算法的一种改进
    带复制功能的lblc也是针对目标IP地址做负载均衡。主要是根据请求的目标IP找到目标IP对应的服务器组,根据“最小连接”原则,从服务器组中挑选一台服务器。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。







      本文转自rshare 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/1364952/1965467,如需转载请自行联系原作者



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