一文带你快速了解——LVS负载均衡集群
前言：
Internet的飞速发展给网络带宽和服务器带来巨大的挑战。从网络技术的发展来看，网络带宽的增长远高于处理器速度和内存访问速度的增长。对用硬件和软件方法实现高可伸缩、高可用网络服务的需求不断增长。针对高可伸缩、高可用网络服务的需求，给出了基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法，并在Linux内核中实现了这些方法，将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器——LVS（Linux Virtual Server）。
一、LVS简介
1.1、什么是LVS
LVS（Linux Virtual Server），也就是Linux虚拟服务器。是由章文嵩博士主导的开源负载均衡项目，目前LVS已经被集成到Linux内核模块。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。
通过LVS 达到的负载均衡技术和Linux操作系统可以实现一个高性能、高可用的服务器，它具有很好的可伸缩性（Scalability）、可靠性（Reliability）和可管理性（Manageability）。
LVS官网 - http://www.linuxvirtualserver...
Keepalived - http://www.keepalived.org/
1.2、LVS的优点
LVS（Linux Virtual Server）的优点包括：
1、应用范围广：因为LVS工作在4层，所以它几乎可以对所有应用做负载均衡，包括http、数据库、DNS、ftp服务等等。
2、性能高：纯 4 层负载均衡，运行在内核态，性能是软件负载均衡中最高的。
3、成本低：负载均衡有硬件和软件的，硬件相对应的设备需求会高些，成本相对高。而LVS是软件的，只需要一台服务器和就能免费部署使用，性价比极高。
4、支持多种算法：支持多种论调算法，可根据业务场景灵活调配进行使用。
5、支持多种工作模型：可根据业务场景，使用不同的工作模式来解决生产环境请求处理问题。
1.3、LVS相关术语
- LB (Load Balancer 负载均衡)
- HA (High Available 高可用)
- Failover (失败切换)
- Cluster (集群)
- LVS (Linux Virtual Server Linux 虚拟服务器)
- 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)，虚拟的IP地址，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 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
1.4、访问流程
1.5、LVS 的组成及作用
LVS 由两部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。
1、ipvs（ip virtual server）：LVS 是基于内核态的 netfilter 框架实现的 IPVS 功能，工作在内核态。用户配置 VIP 等相关信息并传递到 IPVS 就需要用到 ipvsadm 工具。
2、ipvsadm ：是 LVS 用户态的配套工具，可以实现 VIP 和 RS 的增删改查功能，是基于 netlink 或 raw socket 方式与内核 LVS 进行通信的，如果 LVS 类比于 netfilter，那 ipvsadm 就是类似 iptables 工具的地位。
1.6、负载均衡集群
负载均衡群集：Load Balance Cluster，以提高应用系统的响应能力，尽可能处理更多的访问请求、减少延迟为目标，从而获得高并发、高负载的整体性能。
二、四种工作模式的解析
2.1、NAT模式（Network Address Translation）
lvs-nat： 修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT
- 类似于防火墙的私有网络结构，负载调度器作为所有服务器节点的网关，作为客户机的访问入口，也是各节点回应客户机的访问出口，服务器节点使用私有 IP 地址，与负载调度器位于同一个物理网络，安全性要优于其他方式。
- RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址;RS的网关要指向DIP
- 请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈
- 支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT
- VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统
- 客户请求到达vip后进入PREROUTING,在没有ipvs的时候因该进入本机INPUT,当IPVS存在后访问请求在通过PREROUTING后被ipvs结果并作nat转发
- 因为ipvs的作用点是在PREROUTING和INPUT链之间，所以如果在prerouting中设定规则会干扰ipvs的工作。所以在做lvs时要把iptables的火墙策略全清理掉。
2.1、DR模式（Direct Routing）
lvs-dr： 操纵封装新的MAC地址
- 采用半开放式的网络结构，与 TUN 模式的结构类似，但各节点并不是分散在各个地方，而是与调度器位于同一个物理网络，负载调度器与各节点服务器通过本地网络连接，不需要建立专用的 IP 隧道。它是最常用的工作模式，因为它的功能性强大。
- 直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址
- 源 IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变
- 客户端发送数据帧给vs调度主机帧中内容为客户端IP+客户端的MAC+VIP+VIP的MAC
- VS调度主机接收到数据帧后把帧中的VIP的MAC该为RS1的MAC，此时帧中的数据为客户端IP+客户端的MAC+VIP+RS1的MAC
- RS1得到2中的数据包做出响应回传数据包，数据包中的内容为VIP+RS1的MAC+客户端IP+客户端IP的MAC
2.3、TUN模式（IP Tunnel）
lvs-tun： 在原请求IP报文之外新加一个IP首部
- 采用开放式的网络结构，负载调度器作为客户机的访问入口，各节点通过各自的 Internet 连接直接回应给客户机，而不经过负载调度器，服务器节点分散在互联网中的不同位置，有独立的公网 IP 地址，通过专用 IP 隧道与负载调度器相互通信。
- 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）
- 1.客户端发送请求数据包，包内有源IP+vip+dport
- 到达vs调度器后对客户端发送过来的数据包重新封装添加IP报文头，新添加的IP报文头中包含 TUNSRCIP(DIP)+TUNDESTIP(RSIP1)并发送到RS1
- RS收到VS调度器发送过来的数据包做出响应，生成的响应报文中包含SRCIP(VIP)+DSTIP（CIP） +port，响应数据包通过网络直接回传给client
2.4、fullnet模式
lvs-fullnat：
2.5、区别
| 模式与特点 | NAT 模式 | IPIP 模式 | DR 模式 |
|---|---|---|---|
| 对服务器的要求 | 任何操作系统 | 必须支持 IP 隧道，目前只有 Linux 系统支持 | 服务器节点支持虚拟网卡设备，能够禁用设备的 ARP 响应 |
| 网络要求 | 拥有私有 IP 地址的局域网络 | 拥有合法 IP 地址的局域，网或广域网 | 拥有合法 IP 地址的局域，服务器节点与负载均衡器必须在同一个网段 |
| 通常支持节点数量 | 较少，10 到 20 个，根据负载均衡器的处理能力而定 | 较高，可以支持 100 个服务节点 | 较高，可以支持 100 个服务节点 |
| RS 服务器网网关 | 指向到调度器 DIP | 指向到路由 | 指向到路由 |
| 调度器和服务器网络 | 可跨网络 | 可跨网络 | 不可跨网络 |
| 服务节点安全性 | 较好，采用内部 IP，服务节点隐蔽 | 较差，采用公用 IP 地址，节点安全暴露 | 较差，采用公用 IP 地址，节点安全暴露 |
| 特点 | 地址转换 | 封装 IP | 修改 MAC 地址 |
| 配置复杂度 | 简单 | 复杂 | 复杂 |
三、LVS负载均衡调度算法
3.1、lvs静态调度算法
- 静态方法：仅根据算法本身进行调度，不考虑 RS 的负载情况
1、RR：roundrobin（轮询）
RS分别被调度，当RS配置有差别时不推荐
2、WRR：Weighted RR（加权轮询）
根据RS的配置进行加权调度，性能差的RS被调度的次数少
3.2、lvs动态调度算法
- 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
3.3、在4.15版本内核以后新增调度算法
1、FO(Weighted Fai Over)调度算法：（常用作灰度发布）
四、实验
4.1、NAT模式实验
先配上IP，再更改/etc/NetworkManage/system-connections/eth0-nmconnection(自己网卡名)中的网关
CLient的网关：172.25.254.100（LVS的v），RS1/2的网关：192.168.0.100（LVS的dip）,lvs的网关不变。
nmcli connection reload
nmcli connection up eth0（自己的网卡）
RS1:
dnf install apache -y
echo websever - 192.168.0.10 > /var/www/html/index.html
systemctl enable --now httpdRS2:
dnf install apache -y
echo websever - 192.168.0.20 > /var/www/html/index.html
systemctl enable --now httpd
LVS：
打开路由内核功能
vim /etc/sysctl.conf
刷新
sysctl -p
检测：
curl 192.168.0.10
curl 192.168.0.20
lvs中安装lvs软件
dnf install ipvsadm -y
客户访问时开始调度
ipvsadm -A -t 172.25.254.100:80 -s rr
ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10:80 -m
ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.20:80 -m
ipvsadm -Ln
、
ipvsadm -E -t 172.25.254.100:80 -s wrr
ipvsadm -e -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10 -m -w 2
4.2、DR模式实验
CLient,LVS,RS1,RS2的虚拟机设置和上面一样。
先配上IP，再更改/etc/NetworkManage/system-connections/eth0-nmconnection(自己网卡名)中的网关，上图中有。
nmcli connection reload
nmcli connection up eth0（自己的网卡）给LVS，RS1，RS2配上临时环回IP：192.168.0.200/32
ip a a 192.168.0.200/32 dev lo
router:
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward=1
RS1/2：
RS主机中使ARP不对外响应
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
调网关为192.168.0.100
sysctl -a | grep arp_ignore
LVS：
ipvsadm -A -t 192.168.0.200:80 -s wrr
ipvsadm -a -t 192.168.0.200:80 -r 192.168.0.10:80 -g -w 2
ipvsadm -a -t 192.168.0.200:80 -r 192.168.0.20:80 -g -w 1
测试：
Client访问：
for i in {1..10}
do
curl 192.168.0.200
done
4.3、防火墙标签解决轮训错误
接着上面DR模拟实验做
RS1/2:
安装mod_ssl模块，让RS支持http
yum install mod_ssl -y
让可以使用https
systemctl restart httpd
LVS主机中为端口做标记：
iptables -t mangle -A PREROUTING -d 192.168.0.200 -p tcp -m multiport --dports 80,443 -j MARK --set-mark 66
查看
iptables -t mangle -nL
ipvsadm -A -f 66 -s wrr [-p(默认360)]
ipvsadm -a -f 66 -r 192.168.0.10 -g
ipvsadm -a -f 66 -r 192.168.0.20 -g
ipvsadm -Ln
Client：
curl 192.168.0.200;curl -k https://192.168.0.200
