LVS（Linux Virtual Server）负载均衡详解

 一、LVS简介与集群概念

1.  LVS（Linux Virtual Server）

即Linux虚拟服务器，是一个高性能、高可用的服务器集群解决方案，现已集成至Linux内核中。它通过IP虚拟化技术通过将网络流量分散到多个服务器上，从而提高网络服务的可用性和扩展性，实现数据请求的负载均衡调度，广泛应用于需要大量并发处理能力的场景。

2. 集群

1. 集群（cluster）技术是一种较新的技术，通过集群技术，可以在付出较低成本的情况下获得在性能、可靠性、灵活性方面的相对较高的收益，其任务调度则是集群系统中的核心技术。

集群组成后，可以利用多个计算机和组合进行海量请求处理（负载均衡），从而获得很高的处理效率，也可以用多个计算机做备份（高可用HA），使得任何一个机器坏了整个系统还是能正常运行。

2、负载均衡集群技术
负载均衡（Load Balance）：负载均衡集群为企业需求提供了可解决容量问题的有效方案。负载均衡集群使负载可以在计算机集群中尽可能平均地分摊处理。

负载通常包括应用程序处理负载和网络流量负载,每个节点都可以承担一定的处理负载，并且可以实现处理负载在节点之间的动态分配，以实现负载均衡。

 二、LVS的三种工作模式

1.  NAT模式（Network Address Translation，网络地址转换）

原理：
NAT模式使用Linux的网络地址转换功能，将进入的IP数据包的源地址转换为虚拟服务器的地址，然后根据预设的调度算法将请求分发到后端的真实服务器。真实服务器处理完请求后，直接将响应数据包发送回客户端，无需再次经过LVS。

特点：
所有流量都经过LVS，因此LVS成为潜在的瓶颈。
适用于内部网络结构，安全性较高。

配置要点：
LVS需要至少两块网卡，一块用于内部网络通信，另一块用于外部网络通信。
需要配置iptables规则来进行地址转换。

示例命令

ipvsadm -A -t <VIP>:80 -s rr
ipvsadm -a -t <VIP>:80 -r <RealServerIP>:80 -m

2.  DR模式（Direct Routing，直接路由）

原理：
在DR模式下，LVS和所有真实服务器共享同一个虚拟IP（VIP）。LVS仅处理入站请求，并将它们分发到后端的真实服务器。真实服务器处理请求后，直接将响应发送回客户端，绕过LVS。

特点：
减少了LVS的负载，因为它不处理出站流量。
要求LVS和所有真实服务器在同一个物理网络内。

配置要点：
需要配置网络，使得VIP在LVS和所有真实服务器上都能被识别。
需要调整Linux内核参数，以允许真实服务器响应VIP地址的ARP请求。

示例命令：

ipvsadm -A -t <VIP>:80 -s rr -g
ipvsadm -a -t <VIP>:80 -r <RealServerIP>:80 -g

3.  TUN模式（IP Tunneling，IP隧道）

原理：
TUN模式通过创建IP隧道来转发请求。LVS接收到请求后，将其封装在一个新的IP数据包中，然后发送到对应的真实服务器。 真实服务器解封装后处理请求，并将响应直接发送回客户端。

特点：
真实服务器可以分布在不同的地理位置。
所有请求和响应都经过LVS，因此LVS是流量的中心节点。

配置要点：
 需要在LVS上配置IP隧道接口。
真实服务器需要支持IP隧道协议。

示例命令：

ipvsadm -A -t <VIP>:80 -s rr -i
ipvsadm -a -t <VIP>:80 -r <RealServerIP>:80 -i

 三、LVS的调度算法

LVS提供了包括轮询（RR）、加权轮询（WRR）、最小连接（LC）、加权最小连接（WLC）等多种调度算法，以适应不同的业务需求。

1.  轮询

（Round Robin, RR）
原理：顺序地将请求分配到每个服务器，类似于排队轮流服务。
适用场景：所有服务器性能相近，需要简单均匀的负载分配。

2.  最少连接

（Least Connections, LC）
原理：将请求分配给当前活跃连接数最少的服务器。
适用场景：服务器性能不一致时，优先分配给较空闲的服务器，以提高效率。

3.  加权最少连接

（Weighted Least Connections, WLC）
原理：考虑服务器的性能差异，给每个服务器分配权重，然后根据权重和当前连接数来分配请求。
适用场景：服务器性能有差异，需要根据性能合理分配负载。

4.  加权轮询

（Weighted Round Robin, WRR）
原理：在轮询的基础上，根据服务器的性能分配不同的权重，权重高的服务器接受更多的请求。
适用场景：需要根据服务器性能进行非均匀的负载分配。

5.  基于局部性最少连接

（Locality-Based Least Connections, LBLC）
原理：尽量将同一目标IP地址的请求分配到同一服务器，提高缓存命中率。
适用场景：适用于缓存集群，目标是提高缓存效率。

6.  带复制的基于局部性最少连接

（Locality-Based Least Connections with Replication, LBLCR）
原理：在LBLC的基础上，维护目标IP地址到一组服务器的映射，以支持复制和负载均衡。
适用场景：适用于需要数据复制的缓存集群。
这些算法中，轮询、最少连接和它们的加权版本是最常用的，因为它们简单、高效，并且适用于大多数场景。特别是当服务器规模较大或服务器性能相近时，这些算法可以提供良好的负载均衡效果。而基于局部性的调度算法则适用于特定的应用场景，如缓存集群。

7.  源地址散列

（Source Hashing, SH）
原理：根据请求的源IP地址进行散列，确保来自同一IP的请求总是被分配到同一个服务器。
适用场景：需要保持客户端IP到服务器的会话持久性时。

8.  目标地址散列

（Destination Hashing, DH）
原理：根据请求的目标IP地址进行散列，以决定请求的目的地。
适用场景：适用于请求按目标地址进行分组的情况。

9.  最短期望延迟

（Shortest Expected Delay, SED）
原理：计算每台服务器的权重和当前连接数的比值，将请求分配给比值最小的服务器。
适用场景：需要考虑服务器当前负载和权重，优化响应时间。

10. 最少队列调度

（Least Queue Length, LQ）
原理：选择当前队列长度最短的服务器，以减少请求等待时间。
适用场景：适用于服务器处理能力相近，但请求量波动较大时。

四、LVS实战部署

实战部署包括环境准备、LVS/DR模式和LVS-NAT模式的配置，以下是具体的实现过程和代码示例。

4.1 命令介绍

#安装LVS软件和管理工具ipvsadm。yum install -y ipvsadm
-A --add-service #在服务器列表中新添加一条新的虚拟服务器记录
-t #表示为tcp服务
-u #表示为udp服务
-s --scheduler #使用的调度算法， rr | wrr | lc | wlc | lblb | lblcr | dh | sh | sed | nq 默认调度算法是 wlc
例：ipvsadm -A -t 192.168.1.2:80 -s wrr-a --add-server  #在服务器表中添加一条新的真实主机记录
-t --tcp-service #说明虚拟服务器提供tcp服务
-u --udp-service #说明虚拟服务器提供udp服务
-r --real-server #真实服务器地址
-m --masquerading #指定LVS工作模式为NAT模式
-w --weight #真实服务器的权值
-g --gatewaying #指定LVS工作模式为直接路由器模式（也是LVS默认的模式）
-i --ip #指定LVS的工作模式为隧道模式
-p #会话保持时间，定义流量呗转到同一个realserver的会话存留时间
例：ipvsadm -a -t 192.168.1.2:80 -r 192.168.2.10:80 -m -w 1-E -edit-service #编辑内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-D -delete-service #删除内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-C -clear #清除内核虚拟服务器表中的所有记录。
-R -restore #恢复虚拟服务器规则
-S -save #保存虚拟服务器规则到标准输出，输出为-R 选项可读的格式
-e -edit-server #编辑一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-d -delete-server #删除一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-L|-l –list #显示内核虚拟服务器表--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 ： #输出速率信息参数也可以从/proc/net/ip_vs*映射文件中查看
-Z –zero #虚拟服务表计数器清零（清空当前的连接数量等）

4.2 LVS NAT模式部署

1. 加载IPVS模块并设置为开机自启。

modprobe ip_vs
echo "ip_vs" >> /etc/modules-load.d/ipvs.conf

2. 配置虚拟IP（VIP）并设置网络地址转换。

ip addr add <VIP> dev <interface>
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

3. 使用ipvsadm添加虚拟服务和真实服务器。

ipvsadm -A -t <VIP>:80 -s rr
ipvsadm -a -t <VIP>:80 -r <RealServerIP>:80 -m -w 1

4.2 LVS DR模式部署

1. 配置共享VIP地址在LVS Director和所有Real Servers上。
2. 设置直接路由模式，允许Real Servers响应VIP地址的ARP请求。
3. 使用ipvsadm添加虚拟服务和真实服务器，与NAT模式类似，但使用`-g`标志表示直接路由。

ipvsadm -A -t <VIP>:80 -s rr
ipvsadm -a -t <VIP>:80 -r <RealServerIP>:80 -g -w 1

总结

LVS作为一种成熟高效的负载均衡解决方案，已经在许多高负载环境中得到应用。通过合理选择工作模式和调度算法，它能够有效提升服务的稳定性和响应速度。随着技术的发展，LVS也在不断地更新和完善，以满足日益增长的网络负载需求。