本文详细介绍了LVS（Linux Virtual Server）的基本概念、组成、相关术语，以及三种主要工作模式：NAT、Tunnel和DR的原理与特点。LVS通过负载均衡技术实现了高性能、高可用的服务器集群，并探讨了各种调度算法，如轮叫、加权轮叫、最少连接等。此外，文章还提供了LVS配置实例，包括NAT和DR模式的配置步骤。
一、负载均衡LVS基本介绍
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，它的官方网站是 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、LVS的组成
LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。
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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。
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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)
三、LVS相关术语 -
DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
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RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
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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。
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DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
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RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
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CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。
四、LVS/NAT（虚拟模式）原理和特点 -
重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。
(a). 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
(b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
©. 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
(d). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server
(e). 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
(f). 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
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
五、LVS/Tun（隧道模式）原理和特点
在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP)
(a) 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 。
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
© IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(d) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(e) RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
(f) 响应报文最终送达至客户端
LVS-Tun模型特性
RIP、VIP、DIP全是公网地址
• RS的网关不会也不可能指向DIP
• 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不经过进过Director Server
• 不支持端口映射
• RS的系统必须支持隧道
六、LVS/DR（路由模式）原理和特点 -
重将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址
(a) 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
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
© 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
(d) 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。
(e) 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
(f) 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
• 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
七、LVS的八种调度算法 -
轮叫调度 rr
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。 -
加权轮叫 wrr
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。 -
最少链接 lc
这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1 -
加权最少链接 wlc
这个算法比 lc 多了一个权重的概念。 -
基于局部性的最少连接调度算法 lblc
这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则会继续选择其它可行的服务器 -
复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr
记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录，它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。 -
目标地址散列调度算法 dh
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。 -
源地址散列调度算法 sh
与目标地址散列调度算法类似，但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。
DR模式direct_server:192.168.254.17
real_server:192.168.254.18
real_server:192.168.254.19#vip为虚拟服务ip
vip:192.168.254.250
direct_server：
yum install ipvsadm
转发
direct_server:
ipvsadm -C #清除配置信息
#添加对外提供的服务ip
ipvsadm -A -t 192.168.254.250:80 -s rr #-A为ADD -t为tcp -s rr为设置算法为轮叫算法
#添加2台real_server主机
ipvsadm -a -t 192.168.254.250:80 -r 192.168.254.18:80 -g #-a为add -t为tcp -r为realserver -g为DR路由模式
ipvsadm -a -t 192.168.254.250:80 -r 192.168.254.19:80 -g #-a为add -t为tcp -r为realserver -g为DR路由模式
#配置网卡的子网口为vip，ip地址为192.168.254.250
ifconfig ens33:0 192.168.254.250 broadcast 192.168.254.250 netmask 255.255.255.255 up
#添加路由（访问192.168.254.250都走ens33:0这个网卡)
route add -host 192.168.254.250 dev ens33:0
真实1 | 真实2
real_server:
#在回环地址的子网口上配置服务ip(vip)
ifconfig lo:0 192.168.254.250 broadcast 192.168.254.250 netmask 255.255.255.255 up
#添加路由
route add -host 192.168.254.250 dev lo:0
echo “1”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo “2”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo “1”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo “2”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce7
echo “0”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo “0”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo “0”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo “0”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
arp_ignore:定义接收到ARP请求时的响应级别
0：默认，只用本地配置的有响应地址都给予响应
1：仅仅在目标IP是本地地址，并且是配置在请求进来的接口上的时候才给予响应
(仅在请求的目标地址配置请求到达的接口上的时候，才给予响应)
arp_announce：定义将自己的地址向外通告时的级别
0：默认，表示使用配置在任何接口的任何地址向外通告
1：尽量仅向目标网络通告与其网络匹配的地址
2：仅向与本地接口上地址匹配的网络进行通告
tun隧道模式
lvs-server
ifconfig tunl0 192.168.254.250 broadcast 192.168.254.250 netmask 255.255.255.0 up
route add -host 192.168.254.250 dev tunl0
ipvsadm -A -t 192.168.254.250:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.254.250:80 -r 192.168.254.18 -i
ipvsadm -a -t 192.168.254.250:80 -r 192.168.254.19 -i
real server
ifconfig tunl0 192.168.254.250 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.254.250 up
route add -host 192.168.254.250 dev tunl0
echo “1” >/proc/sys/net/ipv4/conf/tunl0/arp_ignore
echo “2” >/proc/sys/net/ipv4/conf/tunl0/arp_announce
echo “1” >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo “2” >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo “0” >/proc/sys/net/ipv4/conf/tunl0/rp_filter
echo “0” > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter
0：不开启源地址校验。
1：开启严格的反向路径校验。对每个进来的数据包，校验其反向路径是否是最佳路径。
如果反向路径不是最佳路径，则直接丢弃该数据包。
2：开启松散的反向路径校验。对每个进来的数据包，校验其源地址是否可达，即反向路径是否能通（通过任意网口），
如果反向路径不同，则直接丢弃该数据包。
keepalived:
yum install keepalived
vim /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalived
#全局配置
global_defs {
notification_email {
#收件人地址
}
#邮件服务器
}
VRRP配置DS1
vrrp_instance VI_1 {
state MASTER #角色类型MASTER|BACKUP
interface ens33 #网卡名称
virtual_router_id 51 #虚拟路由id（需要与BACKUP一致）
priority 100 #优先级
advert_int 1 #没1秒检查一次
#nopreempt #非抢占模式
authentication {
auth_type PASS #认证类型 主备之间必须一样
auth_pass 1111 #认证密码 主备之间必须一样
}
virtual_ipaddress {
192.168.254.250 #虚拟ip（vip）
}
}
#LVS配置
virtual_server 192.168.254.250 80 {
delay_loop 3 #健康检查时间间隔
lb_algo rr #负载均衡调度算法
lb_kind DR #负载均衡转发规则
protocol TCP #协议
real_server 192.168.254.18 80 { #要监控的real_server的ip和端口号
weight 1 #权重
TCP_CHECK { #基于tcp协议的检查
connect_timeout 3 #连接时间超时
retry 3 #重连次数
delay_before_retry 3 #重连间隔时间
}
}
real_server 192.168.254.19 80 {
weight 1
TCP_CHECK {
connect_timeout 3
retry 3
delay_before_retry 3
}
}
}
192.168.254.17 DS1
192.168.254.20 DS2
ifconfig ens33:0 192.168.254.250 broadcast 192.168.254.250 netmask 255.255.255.255 up
route add -host 192.168.254.250 dev ens33:0
192.168.254.18 RS1
ifconfig lo:0 192.168.254.250 broadcast 192.168.254.250 netmask 255.255.255.255 up #loopback
route add -host 192.168.254.250 dev lo:0
echo “1”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo “2”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo “1”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo “2”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
192.168.254.19 RS2
ifconfig lo:0 192.168.254.250 broadcast 192.168.254.250 netmask 255.255.255.255 up #loopback
route add -host 192.168.254.250 dev lo:0
echo “1”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo “2”>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo “1”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo “2”>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
tail -f /var/log/messages
路由模式是由路由器实现的
注：同样是主从必须得启动httpd服务
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