lvs

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lvs

一、lvs简介

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DirectorServer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(realserver)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的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网是 http://www.linuxvirtualserver.org 现在 LVS 已经是Linux内核标准的一部分。使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统实现一个高性能高可用的Linux服务器集群，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。

二、工作原理

简易原理图如下：

lvs原理

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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.

三、LVS的组成

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

  • 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。

  • 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)

四、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。

五、lvs的工作模式

1) lvs-nat

lsv-nat

(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

2) lvs-dr

lvs-dr

(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 特性

  • 前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS
  • 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
  • RS跟Director Server必须在同一个物理网络中
  • 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
  • 不支持地址转换，也不支持端口映射
  • RS可以是大多数常见的操作系统
  • RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
  • 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

3) lvs-tun

转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）

lvs-tun特性：

  • DIP, VIP, RIP都应该是公网地址
  • RS的网关一般不能指向DIP
  • 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director
  • 不支持端口映射
  • RS的OS须支持隧道功能

4) lvs-fullnat

lvs-fullnat：通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发
CIP –> DIP VIP –> RIP

lvs-fullnat特性

  • VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP
  • RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client
  • 请求和响应报文都经由Director
  • 支持端口映射

注意：此类型kernel默认不支持

5) 工作模式总结

工作模式

  • lvs-nat与lvs-fullnat：请求和响应报文都经由Director
  • lvs-nat：RIP的网关要指向DIP
  • lvs-fullnat：RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信
  • lvs-dr与lvs-tun：请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
  • lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
  • lvs-tun：通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信

六、lvs的调度算法

  • 静态方法：仅根据算法本身进行调度

    • RR：roundrobin，轮询

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。

  • WRR：Weighted RR，加权轮询

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。

  • SH：Source Hashing，实现session sticky，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定

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,现在好多用户都是一个的snat,出口就一个ip，后端rs记录的访问地址，也是一个ip,明显的不符合实际情况。

  • DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡。

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。

  • 动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value较小的RS将被调度

    • LC：least connections 适用于长连接应用 Overhead=activeconns*256+inactiveconns
    • WLC：Weighted LC，默认调度方法 Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight
    • SED：Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先 Overhead=(activeconns+1)*256/weight
    • NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED
    • LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理
    • LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS

七、ipvs的常用命令

1)集群服务的增改 ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]

2)集群服务的删除 ipvsadm -D -t|u|f service-address

  • -t: TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT
  • -u: UDP协议的端口，VIP:UDP_PORT
  • -f：firewall MARK，标记，一个数字
  • [-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc

3)管理集群上的RS：增、改 ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]

4)集群上的删除 ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address

  • server-address：rip[:port] 如省略port，不作端口映射
  • -g: gateway, dr类型，默认
  • -i: ipip, tun类型
  • -m: masquerade, nat类型
  • -w weight：权重

5)清空定义的所有内容：ipvsadm –C
清空计数器：ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
查看：ipvsadm -L|l [options]

  • –numeric, -n：以数字形式输出地址和端口号
  • –exact：扩展信息，精确值
  • –connection，-c：当前IPVS连接输出
  • –stats：统计信息
  • –rate ：输出速率信息

6)保存：建议保存至/etc/sysconfig/ipvsadm
ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
ipvsadm -S > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
systemctl stop ipvsadm.service

7)重载：
ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
systemctl restart ipvsadm.service

八、lvs-dr注意事项

  • DR模型中各主机上均需要配置VIP，解决地址冲突的方式有三种：

    • 在前端网关做静态绑定
    • 在各RS使用arptables
    • 在各RS修改内核参数，来限制arp响应和通告的级别

    • 限制响应级别：arp_ignore

      • 0：默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应
      • 1: 仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文的接口上时，才给予响应

    • 限制通告级别：arp_announce

      • 0：默认值，把本机所有接口的所有信息向每个接口的网络进行通告
      • 1：尽量避免将接口信息向非直接连接网络进行通告
      • 2：必须避免将接口信息向非本网络进行通告

九、常用的配置脚本

rs的配置脚本

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#!/bin/bash
vip=10.0.0.100
mask='255.255.255.255‘
dev=lo:1
case $1 in
start)
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
ifconfig $dev $vip netmask $mask #broadcast $vip up
#route add -host $vip dev $dev
;;
stop)
ifconfig $dev down
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
;;
*) 
echo "Usage: $(basename $0) start|stop"
exit 1
;;
esac

vs的配置脚本

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#!/bin/bash
vip='10.0.0.100'
iface='eth0:1'
mask='255.255.255.255'
port='80'
rs1='192.168.0.101'
rs2='192.168.0.102'
scheduler='wrr'
type='-g'
case $1 in
start)
    ifconfig $iface $vip netmask $mask #broadcast $vip up
    iptables -F
    ipvsadm -A -t ${vip}:${port} -s $scheduler
    ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs1} $type -w 
    ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs2} $type -w 
    ;;
stop)
    ipvsadm -Cifconfig $iface down
    ;;
*)
    echo "Usage $(basename $0) start|stop"
    exit 1
esac

注意：

lvs是基于四层的调度转发，不能基于url进行转发，而且默认的不能对后端rs进行状态检查，通常借助ldirectord实现

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