负载均衡之LVS

LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。是由章文嵩博士发起的自由软件项目。LVS主要用于多服务器的负载均衡。它工作在网络层，可以实现高性能，高可用的服务器集群技术。它廉价，可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器。它易用，配置非常简单，且有多种负载均衡的方法。它稳定可靠，即使在集群的服务器中某台服务器无法正常工作，也不影响整体效果。另外可扩展性也非常好。在Linux2.4内核以前，使用LVS时必须要重新编译内核以支持LVS功能模块，但是从Linux2.4内核以后，已经完全内置了LVS的各个功能模块，无需给内核打任何补丁，可以直接使用LVS提供的各种功能。

LVS的特性：

• 高可用性：LVS是一个基于内核级别的应用软件，因此具有很高的处理性能，用LVS构架的负载均衡集群系统具有优秀的处理能力，每个服务节点的故障不会影响整个系统的正常使用，同时又实现负载的合理均衡，使应用具有超高负荷的服务能力，可支持上百万个并发连接请求。如配置百兆网卡，采用VS/TUN或VS/DR调度技术，整个集群系统的吞吐量可高达1Gbits/s；如配置千兆网卡，则系统的最大吞吐量可接近10Gbits/s。
• 高可靠性：LVS负载均衡集群软件已经在企业、学校等行业得到了很好的普及应用，国内外很多大型的、关键性的web站点也都采用了LVS集群软件，所以它的可靠性在实践中得到了很好的证实。有很多以LVS做的负载均衡系统，运行很长时间，从未做过重新启动。这些都说明了LVS的高稳定性和高可靠性。
• 适用环境：LVS对前端Director Server目前仅支持Linux和FreeBSD系统，但是支持大多数的TCP和UDP协议，支持TCP协议的应用有：HTTP，HTTPS ，FTP，SMTP，POP3，IMAP4，PROXY，LDAP，SSMTP等等。支持UDP协议的应用有：DNS，NTP，ICP，视频、音频流播放协议等。LVS对Real Server的操作系统没有任何限制，Real Server可运行在任何支持TCP/IP的操作系统上，包括Linux，各种Unix（如FreeBSD、Sun Solaris、HP Unix等），Mac/OS和Windows等。
• 开源软件：LVS集群软件是按GPL（GNU Public License）许可证发行的自由软件，因此，使用者可以得到软件的源代码，并且可以根据自己的需要进行各种修改，但是修改必须是以GPL方式发行。

LVS 结构体系

使用LVS架设的服务器集群系统有三个部分组成：最前端的负载均衡层，用Load Balancer表示，中间的服务器群组层，用Server Array表示，最底端的数据共享存储层，用Shared Storage表示，在用户看来，所有的内部应用都是透明的，用户只是在使用一个虚拟服务器提供的高性能服务。

• Load Balancer层：这是LVS的核心部分，它好比网站MVC模型的Controller。它负责将客户的请求按照一定的算法分发到下一层不同的服务器进行处理，自己本身不做具体业务的处理。该层由一台或者几台Director Server组成。LVS模块就安装在Director Server上，Director的主要作用类似于一个路由器，它含有完成LVS功能所设定的路由表，通过这些路由表把用户的请求分发给Server Array层的应用服务器（Real Server）上。同时，在Director Server上还要安装对Real Server服务的监控模块Ldirectord，此模块用于监测各个Real Server服务的健康状况。在Real Server不可用时把它从LVS路由表中剔除，恢复时重新加入。
• Server Array层：该层负责具体业务。由一组实际运行应用服务的机器组成，Real Server可以是WEB服务器、MAIL服务器、FTP服务器、DNS服务器、视频服务器中的一个或者多个，每个Real Server之间通过高速的LAN或分布在各地的WAN相连接。在实际的应用中，Director Server也可以同时兼任Real Server的角色。
• Shared Storage层：是为所有Real Server提供共享存储空间和内容一致性的存储区域，在物理上，一般有磁盘阵列设备组成，为了提供内容的一致性，一般可以通过NFS网络文件系统共享数据，但是NFS在繁忙的业务系统中，性能并不是很好，此时可以采用集群文件系统，例如Red hat的GFS文件系统，oracle提供的OCFS2文件系统等。

LVS 的工作模式

负载均衡技术有很多实现方案，有基于DNS域名轮流解析的方法、有基于客户端调度访问的方法、有基于应用层系统负载的调度方法，还有基于IP地址的调度方法，在这些负载调度算法中，执行效率最高的是IP负载均衡技术。

LVS的IP负载均衡技术是通过IPVS模块来实现的，IPVS是LVS集群系统的核心软件，它的主要作用是：安装在Director Server上，同时在Director Server上虚拟出一个IP地址，用户必须通过这个虚拟的IP地址访问服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP，即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达负载调度器，然后由负载调度器从Real Server列表中选取一个服务节点响应用户的请求。当用户的请求到达负载调度器后，调度器如何将请求发送到提供服务的Real Server节点，而Real Server节点如何返回数据给用户，是IPVS实现的重点技术，IPVS实现负载均衡机制有三种，分别是NAT、TUN和DR，详述如下：

1、VS/NAT： 即（Virtual Server via Network Address Translation）

即网络地址翻译技术实现虚拟服务器，当用户请求到达调度器时，调度器将请求报文的目标地址（即虚拟IP地址）改写成选定的Real Server地址，同时报文的目标端口也改成选定的Real Server的相应端口，最后将报文请求发送到选定的Real Server。在服务器端得到数据后，Real Server返回数据给用户时，需要再次经过负载调度器将报文的源地址和源端口改成虚拟IP地址和相应端口，然后把数据发送给用户，完成整个负载调度过程。可以看出，在NAT方式下，用户请求和响应报文都必须经过Director Server地址重写，当用户请求越来越多时，调度器的处理能力将称为瓶颈。

• 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，物理服务器可以分配Internet的保留私有地址，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）数据增长到20个或更多时,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都需要经过负载均衡器再生。假使TCP包的平均长度是536字节的话，平均包再生延迟时间大约为60us（在Pentium处理器上计算的，采用更快的处理器将使得这个延迟时间变短），负载均衡器的最大容许能力为93M/s，假定每台物理服务器的平台容许能力为400K/s来计算，负责均衡器能为22台物理服务器计算。

解决办法：即使是是负载均衡器成为整个系统的瓶颈，如果是这样也有两种方法来解决它。一种是混合处理，另一种是采用Virtual Server via IP tunneling或Virtual Server via direct routing。如果采用混合处理的方法，将需要许多同属单一的RR DNS域。你采用Virtual Server via IP tunneling或Virtual Server via direct routing以获得更好的可扩展性。也可以嵌套使用负载均衡器，在最前端的是VS-Tunneling或VS-Drouting的负载均衡器，然后后面采用VS-NAT的负载均衡器。

2、VS/TUN ：即（Virtual Server via IP Tunneling）

即IP隧道技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT方式一样，只是它的报文转发方法不同，VS/TUN方式中，调度器采用IP隧道技术将用户请求转发到某个Real Server，而这个Real Server将直接响应用户的请求，不再经过前端调度器，此外，对Real Server的地域位置没有要求，可以和Director Server位于同一个网段，也可以是独立的一个网络。因此，在TUN方式中，调度器将只处理用户的报文请求，集群系统的吞吐量大大提高。

• 优点：负载均衡器只负责将请求包分发给物理服务器，而物理服务器将应答包直接发给用户。所以，负载均衡器能处理很巨大的请求量，这种方式，一台负载均衡能为超过100台的物理服务器服务，负载均衡器不再是系统的瓶颈。使用VS-TUN方式，如果你的负载均衡器拥有100M的全双工网卡的话，就能使得整个Virtual Server能达到1G的吞吐量。
• 缺点：这种方式需要所有的服务器支持”IP Tunneling”(IP Encapsulation)协议，仅在Linux系统上实现了。

3、VS/DR： 即（Virtual Server via Direct Routing）

即用直接路由技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT和VS/TUN中的一样，但它的报文转发方法又有不同，VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给客户，免去了VS/TUN中的IP隧道开销。这种方式是三种负载调度机制中性能最高最好的，但是必须要求Director Server与Real Server都有一块网卡连在同一物理网段上。

• 优点：和VS－TUN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：要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上

具体比较为：

LVS 的调度算法

针对不同的网络服务需求和服务器配置，IPVS调度器实现了如下八种负载调度算法：

• 轮叫（Round Robin）：“轮叫”调度也叫1:1调度，调度器通过“轮叫”调度算法将外部用户请求按顺序1:1的分配到集群中的每个Real Server上，这种算法平等地对待每一台Real Server，而不管服务器上实际的负载状况和连接状态。
• 加权轮叫（Weighted Round Robin）：“加权轮叫”调度算法是根据Real Server的不同处理能力来调度访问请求。可以对每台Real Server设置不同的调度权值，对于性能相对较好的Real Server可以设置较高的权值，而对于处理能力较弱的Real Server，可以设置较低的权值，这样保证了处理能力强的服务器处理更多的访问流量。充分合理的利用了服务器资源。同时，调度器还可以自动查询Real Server的负载情况，并动态地调整其权值。
• 最少链接（Least Connections）：“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（Weighted Least Connections）：“加权最少链接调度”是“最少连接调度”的超集，每个服务节点可以用相应的权值表示其处理能力，而系统管理员可以动态的设置相应的权值，缺省权值为1，加权最小连接调度在分配新连接请求时尽可能使服务节点的已建立连接数和其权值成正比。
• 基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）：”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（Locality-Based Least Connections with Replication）：”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（Destination Hashing）：”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（Source Hashing）：”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。

官方网站： http://www.linuxvirtualserver.org