LVS基本知识概述

た入场券 2023-07-08 02:49 6阅读 0赞

## 1.什么是LVS？ ##

LVS（Linux Virtual Server）即Linux虚拟服务器，是由章文嵩博士主导的开源负载均衡项目，目前LVS已经被集成到Linux内核模块中  
该项目在Linux内核中实现了基于IP的数据请求负载均衡调度方案，其体系结构下图所示  
终端互联网用户从外部访问公司的外部负载均衡服务器，把终端用户的Web请求会发送给LVS调度器  
调度器根据自己预设的算法决定将该请求发送给后端的某台Web服务器  
比如，轮询算法可以将外部的请求平均分发给后端的所有服务器，终端用户访问LVS调度器虽然会被转发到后端真实的服务器  
但如果真实服务器连接的是相同的存储，提供的服务也是相同的服务，最终用户不管是访问哪台真实服务器  
得到的服务内容都是一样的，整个集群对用户而言都是透明的  
最后根据LVS工作模式的不同，真实服务器会选择不同的方式将用户需要的数据发送到终端用户

LVS工作模式分为一下几种：

（1）NAT模式（转换一个ip地址，效率低）  
（2）TUN模式（ip隧道）  
（3）DR模式(调度器跟真正的服务器在同一网段，强行修改mac地址，并不改变ip地址)  
FullNAT(访问来源ip跟访问目的ip，效率低，麻烦，要编辑内核的，)以及EnhanceNAT（阿里巴巴，还不成熟）增强nat  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
通过上图可以清晰的看到，互联网用户访问web资源的时候先去访问lvs负载均衡调度器，再由lvs将用户的请求转给web服务器  
这样做的好处是可以均衡后端服务器的压力，防止同一时间某台后端web服务器的访问量过大，导致服务器瘫痪  
既有利于公司服务的稳定运行，也有利于客户的使用

## 2.LVS的基本工作原理 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

> 当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间  
> PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链  
> IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链  
> POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

## 3.LVS的组成 ##

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)

## 4.LVS相关术语 ##

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。

## 5.LVS三种工作模式的原理与区别 ##

（1）基于NAT的LVS负载均衡（lvs的NAT模式）  
NAT（Network Address Translation）即网络地址转换，其作用是通过数据报头的修改  
使得位于企业内部的私有IP地址可以访问外网，以及外部用用户可以访问位于公司内部的私有IP主机  
VS/NAT工作模式拓扑结构如下图所示，LVS负载调度器可以使用两块网卡配置不同的IP地址  
eth0设置为私钥IP与内部网络通过交换设备相互连接，eth1设备为外网IP与外部网络联通

整个工作流程如下：  
第一步：用户通过互联网DNS服务器解析到公司负载均衡设备上面的外网地址，相对于真实服务器而言，LVS外网IP又称VIP（Virtual IP Address），用户通过访问VIP，即可连接后端的真实服务器（Real Server），而这一切对用户而言都是透明的，用户以为自己访问的就是真实服务器，但他并不知道自己访问的VIP仅仅是一个调度器，也不清楚后端的真实服务器到底在哪里、有多少真实服务器。  
第二步，用户将请求发送至124.126.147.168，此时LVS将根据预设的算法选择后端的一台真实服务器（192.168.0.1~192.168.0.3），将数据请求包转发给真实服务器，并且在转发之前LVS会修改数据包中的目标地址以及目标端口，目标地址与目标端口将被修改为选出的真实服务器IP地址以及相应的端口。  
第三步，真实的服务器将响应数据包返回给LVS调度器，调度器在得到响应的数据包后会将源地址和源端口修改为VIP及调度器相应的端口，修改完成后，由调度器将响应数据包发送回终端用户，另外，由于LVS调度器有一个连接Hash表，该表中会记录连接请求及转发信息，当同一个连接的下一个数据包发送给调度器时，从该Hash表中可以直接找到之前的连接记录，并根据记录信息选出相同的真实服务器及端口信息。  
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（2）基于TUN的LVS负载均衡（lvs的TUN模式、隧道模式）  
在LVS（NAT）模式的集群环境中，由于所有的数据请求及响应的数据包都需要经过LVS调度器转发  
也就是客户端通过请求资源，最终资源也是调度器返回给客户端的，有回送的数据包  
如果后端服务器的数量大于10台，则调度器就会成为整个集群环境的瓶颈  
我们知道，数据请求包往往远小于响应数据包的大小  
因为响应数据包中包含有客户需要的具体数据，所以LVS（TUN）的思路就是将请求与响应数据分离  
让调度器仅处理数据请求，而让真实服务器响应数据包直接返回给客户端，不再由调度器往返资源  
VS/TUN工作模式拓扑结构如下图所示  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NDE3Njc3_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
其中，IP隧道（IP tunning）是一种数据包封装技术，它可以将原始数据包封装并添加新的包头（内容包括新的源地址及端口、目标地址及端口），从而实现将一个目标为调度器的VIP地址的数据包封装，通过隧道转发给后端的真实服务器（Real Server），通过将客户端发往调度器的原始数据包封装，并在其基础上添加新的数据包头（修改目标地址为调度器选择出来的真实服务器的IP地址及对应口），LVS（TUN）模式要求真实服务器可以直接与外部网络连接，真实服务器在收到请求数据包后直接给客户端主机响应数据。  
（3）基于DR的LVS负载均衡（DR模式）  
在LVS（TUN）模式下，由于需要在LVS调度器与真实服务器之间创建隧道连接，这同样会增加服务器的负担  
与LVS（TUN）类似，DR模式也叫直接路由模式，其体系结构如下图所示  
该模式中LVS依然仅承担数据的入站请求以及根据算法选出合理的真实服务器  
最终由后端真实服务器负责将响应数据包发送返回给客户端  
与隧道模式不同的是，直接路由模式（DR模式）要求调度器与后端服务器必须在同一个局域网内  
VIP地址需要在调度器与后端所有的服务器间共享，因为最终的真实服务器给客户端回应数据包时需要设置源IP为VIP地  
目标IP为客户端IP，这样客户端访问的是调度器的VIP地址，回应的源地址也依然是该VIP地址（真实服务器上的VIP）  
客户端是感觉不到后端服务器存在的

由于多台计算机都设置了同样一个VIP地址，所以在直接路由模式中要求调度器的VIP地址是对外可见的  
客户端需要将请求数据包发送到调度器主机，而所有的真实服务器的VIP地址必须配置在Non-ARP的网络设备上  
也就是该网络设备并不会向外广播自己的MAC及对应的IP地址，真实服务器的VIP对外界是不可见的  
但真实服务器却可以接受目标地址VIP的网络请求，并在回应数据包时将源地址设置为该VIP地址  
调度器根据算法在选出真实服务器后，在不修改数据报文的情况下，将数据帧的MAC地址修改为选出的真实服务器的MAC地址  
通过交换机将该数据帧发给真实服务器，整个过程中，真实服务器的VIP不需要对外界可见  
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