LVS基础

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负载均衡LVS基本介绍
    负载均衡集群是 load balance 集群的简写,翻译成中文就是负载均衡集群。常用的负载均衡开源软件有nginx、lvs、haproxy,商业的硬件负载均衡设备F5、Netscale。
    LB集群的架构和原理很简单,就是当用户的请求过来时,会直接分发到Director Server上,然后它把用户的请求根据设置好的调度算法,智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。
    为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样,需要用到了共享存储,这样保证所有用户请求的数据是一样的。
 
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netfilter的PREROUTING后面,INPUT前面的框架,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)
 
LVS相关术语
    1. DS:Director Server。指的是前端负载均衡器节点 、Load Balancer、Dispatcher调度器、Virtual server、Director server DS。
    2. RS:Real Server。后端真实的工作服务器。
    3. VIP:向外部直接面向用户请求,作为用户请求的目标的IP地址。
    4. DIP:Director Server IP,主要用于和内部主机通讯的IP地址。
    5. RIP:Real Server IP,后端服务器的IP地址。
    6. CIP:Client IP,访问客户端的IP地址。<br>   
    客户端访问流程:CIP <--> VIP == DIP <--> RIP

  

iptables/netfilter:
  iptables:用户空间的管理工具
  netfilter:内核空间上的框架
  流入:PREROUTING --(IPVS的位置)> INPUT
  流出:OUTPUT --> POSTROUTING
  转发:PREROUTING --> FORWARD --> POSTROUTING
  DNAT:目标地址转换; PREROUTING

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LVS的基本工作原理
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
2. 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(还没到INPUT链),
3. IPVS是工作在INPUT链上的,当用户请求到达INPUT之前,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
4. 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<br><br><br>lvs集群的类型或模式:
    lvs-nat:        (masq)修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT
    lvs-dr:     (router)操纵封装新的MAC地址
    lvs-tun:        ()在原请求IP报文之外新加一个IP首部
    lvs-fullnat:            ()修改请求报文的源和目标IP    
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<br>四种工作模式的原理和特点总结 
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一、LVS/NAT原理和特点
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1.理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。
    (a)当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为VIP
    (b)PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链
    (c)IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务,若是,修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP,然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为RIP
    (d)POSTROUTING链通过选路,将数据包发送给Real Server
    (e)Real Server比对发现目标为自己的IP,开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP,目标IP为CIP
    (f)Director Server在响应客户端前,此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址,然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP,目标IP为CIP 
2.特性
    RS应该使用私有地址,RS的网关必须指向DIP
    DIP和RIP尽量在同一个网段内。
    请求和响应报文都需要经过Director Server(数据包原路返回),高负载场景中,Director Server易成为性能瓶颈。
    支持端口映射,(CIP到VIP的端口)和(DIP到RIP的端口)可以不一样。
    VS必须是LINUX系统,RS可以使用任意操作系统
    缺陷:对Director Server压力会比较大,请求和响应都需经过director server

  

 

 

 

 

 

二、LVS/DR原理和特点

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1.Direct Routing,直接路由,LVS默认模式,应用最广泛,通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发,源MAC是DIP所在的接口的MAC,目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址;源IP/PORT,以及目标IP/PORT均保持不变 
    (a) 当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为VIP
    (b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链
    (c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务,若是,将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址,将目标MAC地址修改RIP的MAC地址,然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改,仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址,目标MAC地址为RIP的MAC地址
    (d) 由于DS和RS在同一个网络中,所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址,那么此时数据包将会发至Real Server。
    (e) RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址,就接收此报文。处理完成之后,将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP,目标IP为CIP
    (f) 响应报文最终送达至客户端
2.特性   
    保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server,而不是RS
    RS可以使用私有地址;也可以是公网地址,如果使用公网地址,此时可以通过互联网对RIP进行直接访问
    RS跟Director Server必须在同一个物理网络中,不能跨路由,要ARP广播。
    所有的请求报文经由Director Server,但响应报文不经过Director Server,而你RS直接发往Client,RS回应的报文件原地址是Director Server的IP,也就是为什么要在RS中配置VIP的IP原因。
    不支持地址转换,也不支持端口映射
    RS可以是大多数常见的操作系统
    RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
    Director和各RS都配置有VIP,在RS上的lo接口配置VIP的IP地址(重点)
    缺陷:RS和DS必须在同一机房中
3.特性的解决方法三种
    1.在前端路由器做静态地址路由绑定,将对于VIP的地址仅路由到Director Server, 但存在问题:用户未必有路由操作权限,因为有可能是运营商提供的,所以这个方法未必实用
    2.arptables:在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则,过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的
        arptables -A IN -d $VIP -j DROP
        arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP
    3.修改RS上内核参数(arp_ignore和arp_announce)将RS上的VIP配置在lo接口的别名上,并限制其不能响应对VIP地址解析请求。
        /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
        /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

  

 

三、LVS/Tun (隧道)原理和特点

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1.在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部,内部IP首部(源地址为CIP,目标IIP为VIP),外层IP首部(源地址为DIP,目标IP为RIP)
    (a) 当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为VIP 。
    (b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链
    (c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务,若是,在请求报文的首部再次封装一层IP报文,封装源IP为为DIP,目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP,目标IP为RIP
    (d) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文,将数据包发至RS(因为在外层封装多了一层IP首部,所以可以理解为此时通过隧道传输)。 此时源IP为DIP,目标IP为RIP
    (e) RS接收到报文后发现是自己的IP地址,就将报文接收下来,拆除掉最外层的IP后,会发现里面还有一层IP首部,而且目标是自己的lo接口VIP,那么此时RS开始处理此请求,处理完成之后,通过lo接口送给eth0网卡,然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP,目标IP为CIP
    (f) 响应报文最终送达至客户端
2.特性
    RIP、VIP、DIP全是公网地址
    RS的网关不会也不可能指向DIP
    所有的请求报文经由Director Server,但响应报文必须不能进过Director Server
    不支持端口映射
    RS的系统必须支持隧道

  

 

 

 

四、lvs-fullnat模式

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    lvs-fullnat:通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发
    CIP --> DIP
    VIP --> RIP
(1) VIP是公网地址,RIP和DIP是私网地址,且通常不在同一IP网络;因此,RIP的网关一般不会指向DIP
(2) RS收到的请求报文源地址是DIP,因此,只需响应给DIP;但Director还要将其发往Client
(3) 请求和响应报文都经由Director
(4) 支持端口映射
注意:此类型kernel默认不支持,阿里内部在用。

 

 

 

 

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五、lvs的其他注意事项:
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关于时间同步:各节点间的时间偏差不大于1s,建议使用统一的ntp服务器进行更新时间;
DR模型中的VIP的MAC广播问题:
在DR模型中,由于每个节点均要配置VIP,因此存在VIP的MAC广播问题,在现在的linux内核中,都提供了相应kernel 参数对MAC广播进行管理,具体如下:
 
arp_ignore: 定义接收到ARP请求时的响应级别;
    0:只要本地配置的有相应地址,就给予响应;
    1:仅在请求的目标地址配置在到达的接口上的时候,才给予响应;DR模型使用
arp_announce:定义将自己地址向外通告时的通告级别;
    0:将本地任何接口上的任何地址向外通告;
    1:试图仅向目标网络通告与其网络匹配的地址;
    2:仅向与本地接口上地址匹配的网络进行通告;DR模型使用
 
 
 
lvs-nat与lvs-fullnat:请求和响应报文都经由Director
    lvs-nat:RIP的网关要指向DIP
    lvs-fullnat:RIP和DIP未必在同一IP网络,但要能通信
lvs-dr与lvs-tun:请求报文要经由Director,但响应报文由RS直接发往Client
    lvs-dr:通过封装新的MAC首部实现,通过MAC网络转发
    lvs-tun:通过在原IP报文外封装新IP头实现转发,支持远距离通信

 

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ipvs schedule调度算法
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ipvs scheduler:根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态,两种:静态方法和动态方法
静态方法:仅根据算法本身进行调度
 
1.轮叫调度 rr
这种算法是最简单的,就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上,该算法最大的特点就是简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的,调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器,不管后端 RS 配置和处理能力,非常均衡地分发下去。
2. 加权轮叫 wrr
这种算法比 rr 的算法多了一个权重的概念,可以给 RS 设置权重,权重越高,那么分发的请求数越多,权重的取值范围 0 – 100。主要是对rr算法的一种优化和补充, LVS 会考虑每台服务器的性能,并给每台服务器添加要给权值,如果服务器A的权值为1,服务器B的权值为2,则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器,处理的请求越多。
3. 目标地址散列调度算法 dh
该算法是根据目标 IP 地址通过散列函数将目标 IP 与服务器建立映射关系,出现服务器不可用或负载过高的情况下,发往该目标 IP 的请求会固定发给该服务器。
4. 源地址散列调度算法 sh
与目标地址散列调度算法类似,但它是根据源地址散列算法进行静态分配固定的服务器资源。
 
 
动态方法:主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value较小的RS将被调度
1. 最少链接 lc
这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁,比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少,那么请求就优先发给 RS1
2. 加权最少链接 wlc,
默认调度方法,这个算法比 lc 多了一个权重的概念。  Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight
3. 基于局部性的最少连接调度算法 lblc
这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法,该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器,如果这台服务器依然可用,并且有能力处理该请求,调度器会尽量选择相同的服务器,否则会继续选择其它可行的服务器
4. 复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr
记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录,它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系,防止单点服务器负载过高。
5、SED:Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先        Overhead=(activeconns+1)*256/weight
6、NQ:Never Queue,第一轮均匀分配,后续SED

  

posted @   yuanbangchen  阅读(325)  评论(0编辑  收藏  举报
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