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目录

前言

LVS是什么？

负载均衡的原理是什么？

LVS由哪两部分组成的？

与lvs相关的术语

LVS 负载均衡的策略

LVS-NAT模式

LVS-NAT模式的原理

LVS-NAT模型的特性

LVS-DR模式

LVS-DR模式原理

LVS-DR模型的特性

LVS三种负载均衡模式的比较

LVS的负载调度算法

LVS与nginx的区别

lvs的优势（互联网老辛）

nginx与LVS的对比

两者配合使用

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前言

        本篇文章介绍什么是LVS，主要从介绍LVS，谈谈什么是负载均衡，LVS的组成、术语以及LVS的模式和特点，以及优缺点。

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LVS是什么？

        LVS是一个虚拟的服务器集群系统，在unix系统下实现负载均衡的功能；采用IP负载均衡技术和机遇内容请求分发技术来实现。
LVS采用三层结构，分别是：
        第一层： 负载调度器
        第二层： 服务池
        第三层：共享存储

• 负载调度器（load balancer/ Director）：是整个集群的总代理，它有两个网卡，一个网卡面对访问网站的客户端，一个网卡面对整个集群的内部。负责将客户端的请求发送到一组服务器上执行，而客户也认为服务是来自这台主的。举个生动的例子，集群是个公司，负载调度器就是在外接揽生意，将接揽到的生意分发给后台的真正干活的真正的主机们。当然需要将活按照一定的算法分发下去，让大家都公平的干活。
• 服务器池（server pool/ Realserver）：是一组真正执行客户请求的服务器，可以当做WEB服务器。就是上面例子中的小员工。
• 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。一个公司得有一个后台账目吧，这才能协调。不然客户把钱付给了A，而换B接待客户，因为没有相同的账目。B说客户没付钱，那这样就不是客户体验度的问题了。

负载均衡的原理是什么？

        当客户端发起请求时，请求直接发给Director Server（调度器），这时会根据设定的调度算法，将请求按照算法的规定智能的分发到真正的后台服务器。以达到将压力均摊。
但是我们知道，http的连接时无状态的，假设这样一个场景，我登录某宝买东西，当我看上某款商品时，我将它加入购物车，但是我刷新了一下页面，这时由于负载均衡的原因，调度器又选了新的一台服务器为我提供服务，我刚才的购物车内容全都不见了，这样就会有十分差的用户体验。

所以就还需要一个存储共享，这样就保证了用户请求的数据是一样的

LVS由哪两部分组成的？

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。
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)

与lvs相关的术语

• 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：Virtual IP 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 负载均衡的策略

LVS一共有三种工作模式： DR，Tunnel,NAT

主要介绍LVS-DR和LVS-NAT。

LVS-NAT模式

LVS-NAT模式的原理

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

LVS-NAT模型的特性

特点：

1. RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
2. DIP和RIP必须在同一个网段内
3. 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
4. 支持端口映射
5. 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模式

LVS-DR模式原理

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

特点：

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. 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
5. 不支持地址转换，也不支持端口映射
6. RS可以是大多数常见的操作系统
7. RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
8. 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

LVS三种负载均衡模式的比较

类目	NAT	TUN	DR
操作系统	任意	支持隧道	多数（支持non-arp）
服务器网络	私有网络	局域网/广域网	局域网
服务器数目	10-20	100	大于100
服务器网关	负载均衡器	自己的路由	自己的路由
效率	一般	高	最高

LVS的负载调度算法

• 轮叫调度(RR)：调度器通过“轮叫”调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载。
• 加权轮叫（WRR)：调度器通过“加权轮叫”调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器能处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
• 最少链接(LC)：调度器通过“最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用“最小连接”调度算法可以较好地均衡负载。
• 加权最少链接(WLC)：在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用“加权最少链接”调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
• 基于局部性的最少链接(LBLC)：“基于局部性的最少链接”调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用“最少链接” 的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器。
• 带复制的基于局部性最少链接（(LBLCR)：“带复制的基于局部性最少链接”调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个目标 IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按“最小连接”原则从服务器组中选出一台服务器，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。
• 目标地址散列(DH)：“目标地址散列”调度算法根据请求的目标IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
• 源地址散列(SH)：“源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。

LVS与nginx的区别

lvs的优势（互联网老辛）

1. 抗负载能力强，因为lvs工作方式的逻辑是非常简单的，而且工作在网络的第4层，仅作请求分发用，没有流量，所以在效率上基本不需要太过考虑。lvs一般很少出现故障，即使出现故障一般也是其他地方（如内存、CPU等）出现问题导致lvs出现问题。
2. 配置性低，这通常是一大劣势同时也是一大优势，因为没有太多的可配置的选项，所以除了增减服务器，并不需要经常去触碰它，大大减少了人为出错的几率。
3. 工作稳定，因为其本身抗负载能力很强，所以稳定性高也是顺理成章的事，另外各种lvs都有完整的双机热备方案，所以一点不用担心均衡器本身会出什么问题，节点出现故障的话，lvs会自动判别，所以系统整体是非常稳定的。
4. 无流量，lvs仅仅分发请求，而流量并不从它本身出去，所以可以利用它这点来做一些线路分流之用。没有流量同时也保住了均衡器的IO性能不会受到大流量的影响。
5. lvs基本上能支持所有应用，因为lvs工作在第4层，所以它可以对几乎所有应用做负载均衡，包括http、数据库、聊天室等。

nginx与LVS的对比

• nginx工作在网络的第7层，所以它可以针对http应用本身来做分流策略，比如针对域名、目录结构等，相比之下lvs并不具备这样的功能，所以nginx单凭这点可以利用的场合就远多于lvs了；但nginx有用的这些功能使其可调整度要高于lvs，所以经常要去触碰，由lvs的第2条优点来看，触碰多了，人为出现问题的几率也就会大。
• nginx对网络的依赖较小，理论上只要ping得通，网页访问正常，nginx就能连得通，nginx同时还能区分内外网，如果是同时拥有内外网的节点，就相当于单机拥有了备份线路；lvs就比较依赖于网络环境，目前来看服务器在同一网段内并且lvs使用direct方式分流，效果较能得到保证。另外注意，lvs需要向托管商至少申请多于一个ip来做visual ip。
• nginx安装和配置比较简单，测试起来也很方便，因为它基本能把错误用日志打印出来。lvs的安装和配置、测试就要花比较长的时间，因为同上所述，lvs对网络依赖性比较大，很多时候不能配置成功都是因为网络问题而不是配置问题，出了问题要解决也相应的会麻烦的多。
• nginx也同样能承受很高负载且稳定，但负载度和稳定度差lvs还有几个等级：nginx处理所有流量所以受限于机器IO和配置；本身的bug也还是难以避免的；nginx没有现成的双机热备方案，所以跑在单机上还是风险比较大，单机上的事情全都很难说。
• nginx可以检测到服务器内部的故障，比如根据服务器处理网页返回的状态码、超时等等，并且会把返回错误的请求重新提交到另一个节点。目前lvs中ldirectd也能支持针对服务器内部的情况来监控，但lvs的原理使其不能重发请求。比如用户正在上传一个文件，而处理该上传的节点刚好在上传过程中出现故障，nginx会把上传切到另一台服务器重新处理，而lvs就直接断掉了。

两者配合使用

• nginx用来做http的反向代理，能够upsteam实现http请求的多种方式的均衡转发。由于采用的是异步转发可以做到如果一个服务器请求失败，立即切换到其他服务器，直到请求成功或者最后一台服务器失败为止。这可以最大程度的提高系统的请求成功率。
• lvs采用的是同步请求转发的策略。这里说一下同步转发和异步转发的区别。同步转发是在lvs服务器接收到请求之后，立即redirect到一个后端服务器，由客户端直接和后端服务器建立连接。异步转发是nginx在保持客户端连接的同时，发起一个相同内容的新请求到后端，等后端返回结果后，由nginx返回给客户端。
• 进一步来说：当做为负载均衡服务器的nginx和lvs处理相同的请求时，所有的请求和响应流量都会经过nginx；但是使用lvs时，仅请求流量经过lvs的网络，响应流量由后端服务器的网络返回。
• 也就是，当作为后端的服务器规模庞大时，nginx的网络带宽就成了一个巨大的瓶颈。
• 但是仅仅使用lvs作为负载均衡的话，一旦后端接受到请求的服务器出了问题，那么这次请求就失败了。但是如果在lvs的后端在添加一层nginx（多个），每个nginx后端再有几台应用服务器，那么结合两者的优势，既能避免单nginx的流量集中瓶颈，又能避免单lvs时一锤子买卖的问题。