马哥教育网络班21期+第1周课程练习

LVS简介

LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个由章文嵩博士开发的一款自由软件。利用LVS可以实现高可用的、可伸缩的Web、Mail、Cache等网络服务，并在此基础上开发支持庞大用户数的高可用商务应用。

LVS集群的组成

基于LVS构建的服务器集群系统由3个部分组成：最前端的负载均衡层，中间的服务器池层，以及后端的数据存储层。以下是LVS的架构框图：

负载均衡层：由一台或多台负载均衡调度器组成。而LVS的核心模板IPVS就在调度器上，调度器的主要作用类似于路由器，通过预先设定的ipvs规则，将用户的请求分发到服务器池的Real Server上。
服务器池层：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、FTP服务器、Mail服务器等中的一个或多个。
数据存储层：为所有的Real Server提供共享存储空间和内容一致性的存储区域。一般可以通过NFS网络文件系统共享数据。

LVS集群实现原理

LVS的IP负载均衡技术是通过IPVS模块实现的。IPVS是LVS的核心软件，它的主要作用是：改变netfilter中INPUT链处理数据包的路径，同时在Director Server上虚拟出一个IP地址，用户必须通过这个虚拟IP去访问服务器。访问的请求首先通过此IP到达调度器，然后由调度器根据规则从服务器池中选择一个Real Server响应用户的请求。而此处Real Server如何返回数据给用户就是LVS实现的重点，可以分为常用的3种方式：NAT、TUN和DR。下面进行详细的介绍。

NAT：确切地来说是DNAT，通过请求的目标网络地址转换实现LVS。当用户请求调度器时，调度器将请求报文的目标地址（VIP）改写为根据调度算法挑选出的Real Server地址，同时也可以将报文的目标端口映射为Real Server的相应端口，最后将报文请求发送给选定的Real Server。Real Server在将数据返回给用户时，需要再次经过调度器将报文的源IP和源端口改为VIP和相应端口，然后将数据发送给用户，完成整个负载均衡调度过程。
DR：即Director Routing，也就是用直接路由技术实现LVS。调度器收到请求报文后通过改写请求报文中的源目MAC地址，将请求发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给用户，不再经过调度器。那么在这一过程中有一个点需要重点把握，那就是Real Server和调度器都使用了VIP，如何能保证请求报文会先发给Real Server，那么核心思想是不要让Real Server对广播的ARP请求做出响应，最有效的方法是修改Real Server主机的内核参数。
TUN：即通过IP隧道技术实现LVS。也就是当调度器收到请求报文时不会去修改请求报文的三层头部，而是在原有的IP头部外再封装一个IP头部，新的IP头部的目标IP是根据调度算法挑选出来的Real Server的IP。

LVS调度算法

前文一直在讲调度器根据算法选定服务器池中的Real Server，那么到底如何选择的，这里就浅析一下IPVS的调度算法，分为静态和动态两大类调度算法。

静态调度算法：

①RR：轮询（round robin）：是一种1：1调度，实现将外部用户的请求按顺序1：1地分配到每一个Real Server上，不考虑Real Server的负载状况。

②WRR：加权轮询（weighted round robin）：能者多劳的机制，根据Real Server的不同负载能力去调度访问请求。通过预先在每台Real Server上设定权重值来区别它们的处理能力。

③DH：目标地址散列（Destination Hash ）：根据请求的目标IP地址，作为散列键(HashKey)从静态分配的散列表找出对应的服务器，即将来自同一个IP的请求始终调度至同一个RS，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。

④SH：源地址散列（Source Hash）：源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键(HashKey)从静态分配的散列表找出对应的服务器，即将对同一个目标IP的请求始终调度至同一个RS，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：

①LC:最少连接（Least Connections）：动态地将用户请求调度到当前活动连接数最少的Real Server上。

②WLC：加权最少连接（Weighted LC）：对每个服务节点用相应的权值表示其处理能力。WLC在进行调度时尽可能使Real Server的活动连接数与权重成正比。

③SED：最短期望延迟（Shortest Expection Delay）: 对WLC的改进，Overhead = （ACTIVE+1）*256/权重值，防止在最初始状态时，调度器会将请求转发给负载能力差的Real Server。

④NQ：最少队列调度（Never Queue）：对SED的改进，防止服务器资源的浪费，因为SED算法可能会导致权重过大的Real Server一直在处理请求，而权重小的一直空闲。

⑤LBLC：基于局部性的最少连接（Locality-Based LC）：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。

⑥LBLCR：带复制的基于局部性最少连接（LBLC with Replication）：对LBLC的改进，防止调度器一直转发请求给同一个缓存服务器，而使其他服务器处于空闲，而LBLCR实现的就是缓存服务器可向其他缓存服务器请求的功能，即复制他们的数据，这比从远端数据库请求数据高效很多，也使服务器资源充分利用。