LVS的工作模式及其原理

1、LVS 介绍

（1）LVS 是Linux Virtual Server的简称，也就是 Linux 虚拟服务器, 是一个由章文嵩博士发起的自由软件项目，它的官方站点是www.linuxvirtualserver.org。现在LVS已经是 Linux标准内核的一部分，因此性能较高。

（2）LVS软件作用：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器群集，它具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的服务性能。

2、LVS 优势与不足

1、优势

高并发连接：LVS基于内核网络层面工作，有超强的承载能力和并发处理能力。单台LVS负载均衡器，可支持上万并发连接。

稳定性强：是工作在网络4层之上仅作分发之用，这个特点也决定了它在负载均衡软件里的性能最强，稳定性最好，对内存和cpu资源消耗极低。

成本低廉：硬件负载均衡器少则十几万，多则几十万上百万，LVS只需一台服务器和就能免费部署使用，性价比极高。

配置简单：LVS配置非常简单，仅需几行命令即可完成配置，也可写成脚本进行管理。

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

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。

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

3、不足

工作在4层，不支持7层规则修改，机制过于庞大，不适合小规模应用。

4、LVS 核心组件和专业术语

1、核心组件

LVS的管理工具和内核模块 ipvsadm/ipvs

ipvsadm：用户空间的命令行工具，用于管理集群服务及集群服务上的RS等；

ipvs：工作于内核上的程序，可根据用户定义的集群实现请求转发；

2、专业术语 

VS：Virtual Server         #虚拟服务

Director, Balancer        #负载均衡器、分发器

RS：Real Server           #后端请求处理服务器

CIP: Client IP                 #用户端IP

VIP：Director Virtual IP #负载均衡器虚拟IP

DIP：Director IP            #负载均衡器IP

RIP：Real Server IP     #后端请求处理服务器IP

3、具体图解

4、LVS负载均衡四种工作模式  

LVS/NAT：网络地址转换模式，进站/出站的数据流量经过分发器(IP负载均衡，他修改的是IP地址)  --利用三层功能
LVS/DR  ：直接路由模式，只有进站的数据流量经过分发器(数据链路层负载均衡，因为他修改的是目的mac地址)--利用二层功能mac地址
LVS/TUN： 隧道模式，只有进站的数据流量经过分发器
LVS/full-nat:双向转换:通过请求报文的源地址为DIP，目标为RIP来实现转发：对于响应报文而言，修改源地址为VIP，目标地址为CIP来实现转发

5、LVS 四种工作模式原理、以及优缺点比较

 1、NAT模式（VS-NAT）

原理：就是把客户端发来的数据包的IP头的目的地址，在负载均衡器上换成其中一台RS的IP地址，并发至此RS来处理,RS处理完成后把数据交给经过负载均衡器,负载均衡器再把数据包的源IP地址改为自己的IP，将目的地址改为客户端IP地址即可｡期间,无论是进来的流量,还是出去的流量,都必须经过负载均衡器｡

优点：集群中的物理服务器可以使用任何支持TCP/IP操作系统，只有负载均衡器需要一个合法的IP地址。

缺点：扩展性有限。当服务器节点（普通PC服务器）增长过多时,负载均衡器将成为整个系统的瓶颈，因为所有的请求包和应答包的流向都经过负载均衡器。当服务器节点过多时，大量的数据包都交汇在负载均衡器那，速度就会变慢！

  2、直接路由(Direct routing)模式（LVS-DR）

原理：负载均衡器和RS都使用同一个IP对外服务｡但只有DR对ARP请求进行响应,所有RS对本身这个IP的ARP请求保持静默｡也就是说,网关会把对这个服务IP的请求全部定向给DR,而DR收到数据包后根据调度算法,找出对应的RS,把目的MAC地址改为RS的MAC（因为IP一致）并将请求分发给这台RS｡这时RS收到这个数据包,处理完成之后，由于IP一致，可以直接将数据返给客户，则等于直接从客户端收到这个数据包无异,处理后直接返回给客户端｡

优点：和TUN（隧道模式）一样，负载均衡器也只是分发请求，应答包通过单独的路由方法返回给客户端。与VS-TUN相比，VS-DR这种实现方式不需要隧道结构，因此可以使用大多数操作系统做为物理服务器。

缺点：（不能说缺点，只能说是不足）要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上。

3、IP隧道(Tunnel)模式（VS-TUN）

原理：互联网上的大多Internet服务的请求包很短小，而应答包通常很大。那么隧道模式就是，把客户端发来的数据包，封装一个新的IP头标记(仅目的IP)发给RS,RS收到后,先把数据包的头解开,还原数据包,处理后,直接返回给客户端,不需要再经过负载均衡器｡注意,由于RS需要对负载均衡器发过来的数据包进行还原,所以说必须支持IPTUNNEL协议｡所以,在RS的内核中,必须编译支持IPTUNNEL这个选项 ​

优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，就能处理很巨大的请求量，这种方式，一台负载均衡器能够为很多RS进行分发。而且跑在公网上就能进行不同地域的分发。

​ 缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持”IP Tunneling”(IP Encapsulation)协议，服务器可能只局限在部分Linux系统上。

 

  4、FULL-NAT模式原理:客户端对VIP发起请求，Director接过请求发现是请求后端服务。Direcrot对请求报文做full-nat，把源ip改为Dip，把目标ip转换为任意后端RS的rip，然后发往后端，rs接到请求后，进行响应，相应源ip为Rip目标ip还是DIP，又内部路由路由到Director,Director接到响应报文，进行full-nat。将源地址为VIP，目标地址改为CIP

 

请求使用DNAT，响应使用SNAT  

6、四者的区别

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

6、LVS ipvsadm 命令的使用

1、LVS-server安装lvs管理软件

yum -y install ipvsadm	

程序包：ipvsadm（LVS管理工具）

主程序：/usr/sbin/ipvsadm

规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save > /path/to/file

配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-confi

2、命令选项

-A --add-service #在服务器列表中新添加一条新的虚拟服务器记录
-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，定义流量被转到同一个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）