lvs四种模式和常用算法

LVS 是四层负载均衡，也就是说建立在 OSI 模型的第四层——传输层之上，传输层上有我们熟悉的 TCP/UDP，LVS 支持 TCP/UDP 的负载均衡。
LVS 的转发主要通过修改 IP 地址（NAT 模式，分为源地址修改 SNAT 和目标地址修改 DNAT）、修改目标 MAC（DR 模式）来实现。

那么为什么 LVS 是在第四层做负载均衡？
首先 LVS 不像 HAProxy 等七层软负载面向的是 HTTP 包，所以七层负载可以做的 URL 解析等工作，LVS 无法完成。其次，某次用户访问是与服务端建立连接后交换数据包实现的，如果在第三层网络层做负载均衡，那么将失去「连接」的语义。软负载面向的对象应该是 一个已经建立连接的用户，而不是一个孤零零的 IP 包。后面会看到，实际上 LVS 的机器代替真实的服务器与用户通过 TCP 三次握手建立了连接，所以 LVS 是需要关心「连接」级别的状态的。

LVS 的工作模式主要有 4 种：

• DR
• NAT
• TUNNEL
• Full-NAT

1.DR

请求由 LVS 接受，由真实提供服务的服务器（RealServer, RS）直接返回给用户，返回的时候不经过 LVS。
DR 模式下需要 LVS 和绑定同一个 VIP（RS 通过将 VIP 绑定在 loopback 实现）。
一个请求过来时，LVS 只需要将网络帧的 MAC 地址修改为某一台 RS 的 MAC，该包就会被转发到相应的 RS 处理，注意此时的源 IP 和目标 IP 都没变，LVS 只是做了一下移花接木。
RS 收到 LVS 转发来的包，链路层发现 MAC 是自己的，到上面的网络层，发现 IP 也是自己的，于是这个包被合法地接受，RS 感知不到前面有 LVS 的存在。
而当 RS 返回响应时，只要直接向源 IP（即用户的 IP）返回即可，不再经过 LVS。
DR 模式是性能最好的一种模式。

2.NAT

NAT（Network Address Translation）是一种外网和内网地址映射的技术。
NAT 模式下，网络报的进出都要经过 LVS 的处理。LVS 需要作为 RS 的网关。
当包到达 LVS 时，LVS 做目标地址转换（DNAT），将目标 IP 改为 RS 的 IP。RS 接收到包以后，仿佛是客户端直接发给它的一样。
RS 处理完，返回响应时，源 IP 是 RS IP，目标 IP 是客户端的 IP。
这时 RS 的包通过网关（LVS）中转，LVS 会做源地址转换（SNAT），将包的源地址改为 VIP，这样，这个包对客户端看起来就仿佛是 LVS 直接返回给它的。客户端无法感知到后端 RS 的存在。

3.Full-NAT

无论是 DR 还是 NAT 模式，不可避免的都有一个问题：LVS 和 RS 必须在同一个 VLAN 下，否则 LVS 无法作为 RS 的网关。
这引发的两个问题是：
1、同一个 VLAN 的限制导致运维不方便，跨 VLAN 的 RS 无法接入。
2、LVS 的水平扩展受到制约。当 RS 水平扩容时，总有一天其上的单点 LVS 会成为瓶颈。
Full-NAT 由此而生，解决的是 LVS 和 RS 跨 VLAN 的问题，而跨 VLAN 问题解决后，LVS 和 RS 不再存在 VLAN 上的从属关系，可以做到多个 LVS 对应多个 RS，解决水平扩容的问题。
Full-NAT 相比 NAT 的主要改进是，在 SNAT/DNAT 的基础上，加上另一种转换，转换过程如下

在包从 LVS 转到 RS 的过程中，源地址从客户端 IP 被替换成了 LVS 的内网 IP。
内网 IP 之间可以通过多个交换机跨 VLAN 通信。
当 RS 处理完接受到的包，返回时，会将这个包返回给 LVS 的内网 IP，这一步也不受限于 VLAN。
LVS 收到包后，在 NAT 模式修改源地址的基础上，再把 RS 发来的包中的目标地址从 LVS 内网 IP 改为客户端的 IP。
Full-NAT 主要的思想是把网关和其下机器的通信，改为了普通的网络通信，从而解决了跨 VLAN 的问题。采用这种方式，LVS 和 RS 的部署在 VLAN 上将不再有任何限制，大大提高了运维部署的便利性。

 

4.TUNNEL模式：

1.客户端将访问vip报文发送给LVS服务器；
2.LVS服务器将请求报文重新封装，发送给后端真实服务器；
3.后端真实服务器将请求报文解封，在确认自身有vip之后进行请求处理；
4.后端真实服务器在处理完数据请求后，直接响应客户端。

要求：
1.lvs和后端真实服务器上都要有vip。
2.不会成为瓶颈。
3.请求的报文不能太大。
 

优点：
1.快速
2.不安全，不能抵抗DOS攻击

4种主要的LVS 算法

1. 轮询调度

调度器通过轮询调度(Round Robin)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。

2. 加权轮询

调度器通过“加权轮询”(Weighted Round Robin)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请求。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。

3. 最少连接
调度器通过"最少连接"(Least Conections)调度算法动态地将网络请求调度到已经建立连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

4.加权最少连接

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"加权最少连接"(Weighted Least Connections)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。调度器可以自动询问真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。

 

LVS的调度算法 

LVS的调度方法分为两种，一种是静态方法，一种是动态方法：

静态方法：仅根据算法本身实现调度；实现起点公平，不管服务器当前处理多少请求，分配的数量一致

动态方法：根据算法及后端RS当前的负载状况实现调度；不管以前分了多少，只看分配的结果是不是公平

静态调度算法(static Schedu)（4种）:

(1)rr (Round Robin) :轮叫,轮询  

说明：轮询调度算法的原理是每一次把来自用户的请求轮流分配给内部中的服务器，从1开始，直到N(内部服务器个数)，然后重新开始循环。算法的优点是其简洁性，它无需记录当前所有连接的状态，所以它是一种无状态调度。缺点：是不考虑每台服务器的处理能力。

(2)wrr (Weight Round Robin) :加权轮询(以权重之间的比例实现在各主机之间进行调度)  

说明：由于每台服务器的配置、安装的业务应用等不同，其处理能力会不一样。所以，我们根据服务器的不同处理能力，给每个服务器分配不同的权值，使其能够接受相应权值数的服务请求。

(3)sh  (Source Hashing) : 源地址hash实现会话绑定sessionaffinity  

说明：简单的说就是有将同一客户端的请求发给同一个real server,源地址散列调度算法正好与目标地址散列调度算法相反，它根据请求的源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并且没有超负荷，将请求发送到该服务器，否则返回空。它采用的散列函数与目标地址散列调度算法的相同。它的算法流程与目标地址散列调度算法的基本相似，除了将请求的目标IP地址换成请求的源IP地址。

(4)dh : (Destination Hashing) : 目标地址hash  

说明：将同样的请求发送给同一个server,一般用于缓存服务器，简单的说，LB集群后面又加了一层，在LB与realserver之间加了一层缓存服务器，当一个客户端请求一个页面时,LB发给cache1,当第二个客户端请求同样的页面时，LB还是发给cache1,这就是我们所说的，将同样的请求发给同一个server,来提高缓存的命中率。目标地址散列调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，它是一种静态映射算法，通过一个散列（Hash）函数将一个目标IP地址映射到一台服务器。目标地址散列调度算法先根据请求的目标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。

动态调度算法(dynamic Schedu)（6种）:

(1)lc (Least-Connection Scheduling): 最少连接 

说明：最少连接调度算法是把新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器，最小连接调度是一种动态调度短算法，它通过服务器当前所活跃的连接数来估计服务器的负载均衡，调度器需要记录各个服务器已建立连接的数目，当一个请求被调度到某台服务器，其连接数加1，当连接中止或超时，其连接数减一，在系统实现时，我们也引入当服务器的权值为0时，表示该服务器不可用而不被调度。此算法忽略了服务器的性能问题，有的服务器性能好，有的服务器性能差，通过加权重来区分性能，所以有了下面算法wlc。

简单算法：active*256+inactive (谁的小，挑谁)

(2)wlc (Weighted Least-Connection Scheduling):加权最少连接  

加权最小连接调度算法是最小连接调度的超集，各个服务器用相应的权值表示其处理性能。服务器的缺省权值为1，系统管理员可以动态地设置服务器的权限，加权最小连接调度在调度新连接时尽可能使服务器的已建立连接数和其权值成比例。由于服务器的性能不同，我们给性能相对好的服务器，加大权重，即会接收到更多的请求。

简单算法：（active*256+inactive）/weight（谁的小，挑谁）

(3)sed (shortest expected delay scheduling):最少期望延迟  

说明：不考虑非活动连接，谁的权重大，我们优先选择权重大的服务器来接收请求，但会出现问题，就是权重比较大的服务器会很忙，但权重相对较小的服务器很闲，甚至会接收不到请求，所以便有了下面的算法nq。

基于wlc算法，简单算法：（active+1)*256/weight （谁的小选谁）

(4).nq (Never Queue Scheduling): 永不排队   

说明：在上面我们说明了，由于某台服务器的权重较小，比较空闲，甚至接收不到请求，而权重大的服务器会很忙，所此算法是sed改进，就是说不管你的权重多大都会被分配到请求。简单说，无需队列，如果有台real server的连接数为0就直接分配过去，不需要在进行sed运算。

(5).LBLC(Locality-Based Least Connections) :基于局部性的最少连接  

说明：基于局部性的最少连接算法是针对请求报文的目标IP地址的负载均衡调度，主要用于Cache集群系统，因为Cache集群中客户请求报文的目标IP地址是变化的，这里假设任何后端服务器都可以处理任何请求，算法的设计目标在服务器的负载基本平衡的情况下，将相同的目标IP地址的请求调度到同一个台服务器，来提高服务器的访问局部性和主存Cache命中率，从而调整整个集群系统的处理能力。

(6).LBLCR(Locality-Based Least Connections with Replication) :基于局部性的带复制功能的最少连接   

说明：基于局部性的带复制功能的最少连接调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，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。

注：LVS默认调度算法是 wlc 。