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LVS負載均衡集群架構介紹

為什麽需要使用負載均衡呢?這是一個必較重要的問題 
實際生產環境中某單臺服務器已不能負載日常用訪問壓力時,就需要使用負載均衡,把用戶的請求數據分擔到(盡可能平均分配)後端所有功能同等的集群的節點上,同樣也是為了解決單臺服務器故障問題,從而提高用戶的訪問體驗。

1、LVS的介紹 
LVS(Linux virtual server)LINUX虛擬服務器,是一個虛擬的服務器集群系統,可以在linux和unix系統中運行,1985年開發研究的項目 
http://www.linuxvirtualserver.org/zh/ 官方網站

IPVS(lvs)發展史

在linux2.2內核時,IPVS就已經以內核補丁的形式出現
從2.4。24版本以後IPVS已經成為linux內核官方標準內核的一部分
LVS工作原理 
LVS負載均衡調度技術是在linux內核中實現的,我們使用配置LVS時,不是直接配置內核中的IPVS,而是通過IPVS的管理工具IPVSADM來管理配置,LVS集群負載均衡器接受所有入站客戶端的請求,並根據算法來決定由哪個集群的節點來處理請求。

LVS相關術語介紹

虛擬ip地址(VIP)
    用於向客戶端提供服務的IP地址(配置於負載均衡器上)
真實的IP地址(RIP)
    集群中節點服務器的IP地址 
負載均衡器IP地址(DIP) 
   負載均衡器的IP地址,物理網卡上的IP,用與同外網連接的地址 
客戶端主機IP地址(CIP)
    終端請求用戶的主機IP地址
2、LVS負載均衡工作模式介紹 
NAT網絡地址轉換模式(VS/NAT) 
通過網絡地址轉換,調度器LB重寫請求報文的目標地址,根據算法將請求分配給後端的真實主機服務器,真實服務器響應處理報文後返回給調度器LB,經過LB的報文源地址被重寫,再返回給請求的客戶端用戶

LVS负载均衡集群架构介绍

過程詳解:
1:客戶端請求CIP(10.10.0.1:80),目標的地址是VIP(1.1.1.1:80)
2:數據經過LB,目的地址將被LB改寫成後端服務器其中一個主機地址(RIP1192.168.1.1:80)
3:服務器接收到數據請求後返回應答信息(源地址:192.168.1.:80,目的地址:1.1.1.1:80,因此處的網關地址需指向LB)給LB
4:LB需將源數據地址改寫成VIP地址(1.1.1.1:80,但實際的源地址是RIP1的地址)
5:LB將數據返回給請求的客戶端用戶,完成整個流程的訪問
因此WEB訪問量很大的時候,LB就會有很大的負載壓力,一般支持10-20臺節點,但是這種模式支持IP和端口的轉換功能,即10.10.0.1:80----->1.1.1.1:80-------->192.168.1.1:8080

TUN隧道模式(VS/TUN) 
LB將請求的報文通過IP隧道轉發給真實服務器,這樣LB只要需要處理請求入站報文,因此可提高訪問效率

LVS负载均衡集群架构介绍過程詳解:
1:客戶端發送請求數據包(源:CIP10.10.1.1:80,目的地址:VIP1.1.1.1:80)
2:數據包到達LB後,LB將數據包重新封裝成另一個IP包(源目地址不變,增加一個IP頭),通過隧道轉發給真實服務器
3:真實服務器收到數據包後進行解包,數據包信息是(源:CIP 10.10.1.1:80,目的地址:VIP 1.1.1.1:80),最終發現目的地址不是自己(因此需要在服務器LO上綁定一個VIP地址),這樣才會處理數據,返回處理數據
4:客戶端接收到返回的數據(源地址VIP 1.1.1.1:80,目的地址CIP 10.10.1.1:80),符合TCP/IP的原理,因此整個訪問過程完成

注:这时肯定有朋友发现这里会有一个问题,每台服务器上都绑定了一个相同VIP地址,用户访问时的目的地址也是VIP,当数据包达到路由器后经过转发至内网,内网可能会产生多台回应数据包的机器,然后用户收到的最快回应的内网机器发来的数据,这样一来数据包也就没有经过LB,就不是负载均衡了,所以需要做抑制arp的功能,使所有真实服务器不再响应目的地址是VIP的请求,只要LB来响应请求,从而达到负载均衡。在实际生产环境中很少使用这种模式

DR模式(Direct Routing)直接路由模式 
此模式是通过改写请求报文的目标MAC地址,将请求发给真实服务器,而真实服务器将响应后的数据直接回应给请求的客户端,此模式要求LB与真实服务器需要有一块物理网卡都是连接在同一网段上 
LVS负载均衡集群架构介绍

過程詳解:
1:客戶端發出請求數據包(源CIP 10.10.1.1:80 目的 VIP1.1.1.1:80)
2:LB接收到數據包後,不轉換地址及端口,也不重新封裝,只是將數據幀中的目的地址的MAC地址改寫算法調度的真實機的MAC地址,將數據包轉發出去
3:真實機收到數據後,但是發現數據包中目的地址不是自己(所以事先也得在LO上綁定一個VIP地址,同時配置抑制ARP),這樣真實機做出響應直接回復客戶端
4:客戶端收到回復的數據包(源VIP 1.1.1.1:80 目的CIP 10.10.1.1:80),完成整個訪問過程

註:LB只能改寫目的MAC地址,因此它不能改變請求報文的目的端口端口,LVS只支持unix和linux,但集群節點服務器可以是win系統,此種模式配置相當麻煩

FULLNAT模式(淘寶開源) 


LVS负载均衡集群架构介绍

解決了上述三種的缺點,解決了真實服務器能跨越VLAN通訊,只需要連接到內網即可 
入站時,目標IP更改為真實服務器的IP,源IP更改為內網的本地IP(一組內網IP) 
出站時,目標IP更改為客戶端的IP,源IP更換為VIP

3、LVS調度算法介紹 
LVS的調度算法決定了如何在集群節點之間分配負載壓力(訪問請求)

調度算法:
rr輪循調度:將請求依次分配給集群的節點,這種算法適用於各個節點處理能力基本相同的情況下
wrr加權輪循調度:根據節點的權重來分配,權重較高的優先分配
wlc加權最小連接數調度:按權重和連接數的數量來分配
lc最小連接數調度:按連接數的數量來分配

實際生產環境LVS調度算法選型 
一般網絡服務,如HTTP、mailmysql常用的調度算法有:rr、wlc、wrr

延伸阅读

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