LVS原理详解
一、LVS 简介
linux virtual server 简称 LVS，是章文嵩博士1998年发起的一个开源项目(官网)。
Internet的快速增长使多媒体网络服务器面对的访问数量快速增加，服务器需要具备提供大量并发访问服务的能力，因此对于大负载的服务器来讲， CPU、I/O处理能力很快会成为瓶颈。由于单台服务器的性能总是有限的，简单的提高硬件性能并不能真正解决这个问题。为此，必须采用多服务器和负载均衡技术才能满足大量并发访问的需要。
针对高可伸缩、高可用网络服务的需求，我们给出了基于IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术的负载平衡调度解决方法，并在Linux内核中实现了这些方法，将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。
Linux 虚拟服务器(Linux Virtual Servers,LVS) 使用负载均衡技术将多台服务器组成一个虚拟服务器。它为适应快速增长的网络访问需求提供了一个负载能力易于扩展，而价格低廉的解决方案。
虚拟服务器的体系结构如下图所示，一组服务器通过高速的局域网或者地理分布的广域网相互连接，在它们的前端有一个负载调度器（Load Balancer）。负载调度器能无缝地将网络请求调度到真实服务器上，从而使得服务器集群的结构对客户是透明的，客户访问集群系统提供的网络服务就像访 问一台高性能、高可用的服务器一样。客户程序不受服务器集群的影响不需作任何修改。系统的伸缩性通过在服务机群中透明地加入和删除一个节点来达到，通过检 测节点或服务进程故障和正确地重置系统达到高可用性。由于我们的负载调度技术是在Linux内核中实现的，我们称之为Linux虚拟服务器（Linux Virtual Server）。
lvs已经集成到linux 2.6版本以上的内核中。lvs的负载能力特别强，优化空间特别大。lvs的变种DPVS据说是lvs性能的几倍，由爱奇艺开发，并广泛用于爱奇艺IDC。其他负载均衡服务器还有nginx，haproxy，F5，Netscale。
二、LVS 基本原理
- 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。
三、LVS组成
LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。
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。IPVS的总体结构主要由IP包处理、负载均衡算法、系统配置与管理三个模块及虚拟服务器与真实服务器链表组成。ipvsadm：另外一段是工作在用户空间，叫ipvsadm，即IPVS管理器，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)。
四、LVS技术术语
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。
五、LVS工作模式和原理
5.1、NAT模式
通过网络地址转换，调度器重写请求报文的目标地址，根据预设的调度算法，将请求分派给后端的真实服务器；真实服务器的响应报文通过调度器时，报文的源地址被重写，再返回给客户，完成整个负载调度过程。
VS/NAT的体系结构
5.1.1、NAT模式工作原理
- (1) 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。
- (2) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
- (3) 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。
- (4) POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server
- (5) 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。
- (6) 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。
5.1.2、NAT特性
- RIP最好是内网IP
- RS的网关必须指向DIP。
- DIP和RIP必须在同一个网段内。
- 请求和回应的报文都必须经过director，director容易成为瓶颈。
- NAT支持端口转发。
5.2、Tunnel模式
在VS/NAT 的集群系统中，请求和响应的数据报文都需要通过负载调度器，当真实服务器的数目在10台和20台之间时，负载调度器将成为整个集群系统的新瓶颈。大多数 Internet服务都有这样的特点：请求报文较短而响应报文往往包含大量的数据。如果能将请求和响应分开处理，即在负载调度器中只负责调度请求而响应直 接返回给客户，将极大地提高整个集群系统的吞吐量。
IP隧道（IP tunneling）是将一个IP报文封装在另一个IP报文的技术，这可以使得目标为一个IP地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP地址。IP隧道技 术亦称为IP封装技术（IP encapsulation）。IP隧道主要用于移动主机和虚拟私有网络（Virtual Private Network），在其中隧道都是静态建立的，隧道一端有一个IP地址，另一端也有唯一的IP地址。
我们利用IP隧道技术将请求报文封装转 发给后端服务器，响应报文能从后端服务器直接返回给客户。但在这里，后端服务器有一组而非一个，所以我们不可能静态地建立一一对应的隧道，而是动态地选择 一台服务器，将请求报文封装和转发给选出的服务器。这样，我们可以利用IP隧道的原理将一组服务器上的网络服务组成在一个IP地址上的虚拟网络服务。 VS/TUN的体系结构如下图所示，各个服务器将VIP地址配置在自己的IP隧道设备上。
VS/TUN的体系结构
5.2.1、Tunnel模式工作原理
- 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 。
- PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
- 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。
- 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。
- 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
- 响应报文最终送达至客户端
在这里需要指出，根据缺省的TCP/IP协议栈处理，请求报文的目标地址为VIP，响应报文的源地址肯定也为VIP，所以响应报文不需要作任何修改，可以直接返回给客户，客户认为得到正常的服务，而不会知道究竟是哪一台服务器处理的。
5.2.2、Tunnel模式特性
- 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
5.3、DR模式
跟VS/TUN 方法相同，VS/DR利用大多数Internet服务的非对称特点，负载调度器中只负责调度请求，而服务器直接将响应返回给客户，可以极大地提高整个集群 系统的吞吐量。该方法与IBM的NetDispatcher产品中使用的方法类似（其中服务器上的IP地址配置方法是相似的），但IBM的 NetDispatcher是非常昂贵的商品化产品，我们也不知道它内部所使用的机制，其中有些是IBM的专利。
VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到真实服务器，而真实服务器将响应直接返回给客户。同VS/TUN技术一样，VS/DR技术可极大地 提高集群系统的伸缩性。这种方法没有IP隧道的开销，对集群中的真实服务器也没有必须支持IP隧道协议的要求，但是要求调度器与真实服务器都有一块网卡连在同一物理网段上。
VIP地址为调度器和服务器组共享，调度 器配置的VIP地址是对外可见的，用于接收虚拟服务的请求报文；所有的服务器把VIP地址配置在各自的Non-ARP网络设备上，它对外面是不可见的，只 是用于处理目标地址为VIP的网络请求
5.3.1、DR模式工作原理
- (1) 首先用户用CIP请求VIP。
- (2) 根据上图可以看到,不管是Director Server还是Real Server上都需要配置相同的VIP,那么当用户请求到达我们的集群网络的前端路由器的时候,请求数据包的源地址为CIP目标地址为VIP,此时路由器会发广播问谁是VIP,那么我们集群中所有的节点都配置有VIP,此时谁先响应路由器那么路由器就会将用户请求发给谁,这样一来我们的集群系统是不是没有意义了,那我们可以在网关路由器上配置静态路由指定VIP就是Director Server,或者使用一种机制不让Real Server 接收来自网络中的ARP地址解析请求,这样一来用户的请求数据包都会经过Director Servrer。
- (3) 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。
- (4) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
- (5) 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
- (6) 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。
- (7) 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
- (8) 响应报文最终送达至客户端。
VS/DR的工作流程
在VS/DR中，根据缺省的TCP/IP协议栈处理，请求报文的目标地址为VIP，响应报文的源地址肯定也为VIP，所以响应报文不需要作任何修改，可以直接返回给客户，客户认为得到正常的服务，而不会知道是哪一台服务器处理的。
5.3.2、配置DR有三种方式：
- 第一种方式：
在路由器上明显说明vip对应的地址一定是Director上的MAC，只要绑定，以后再跟vip通信也不用再请求了，这个绑定是静态的，所以它也不会失效，也不会再次发起请求，但是有个前提，我们的路由设备必须有操作权限能够绑定MAC地址，万一这个路由器是运行商操作的，我们没法操作怎么办？第一种方式固然很简便，但未必可行。
- 第二种方式：
在给别主机上（例如：红帽）它们引进的有一种程序arptables,它有点类似于iptables,它肯定是基于arp或基于MAC做访问控制的，很显然我们只需要在每一个real server上定义arptables规则，如果用户arp广播请求的目标地址是本机的vip则不予相应，或者说相应的报文不让出去，很显然网关（gateway）是接受不到的，也就是director相应的报文才能到达gateway，这个也行。第二种方式我们可以基于arptables。
- 第三种方式：
在相对较新的版本中新增了两个内核参数(kernelparameter)，第一个是arp_ignore定义接受到ARP请求时的相应级别;第二个是arp_announce定义将自己地址向外通告时的通告级别。
提示：很显然我们现在的系统一般在内核中都是支持这些参数的，我们用参数的方式进行调整更具有朴实性，它还不依赖于额外的条件，像arptables,也不依赖外在路由配置的设置，反而通常我们使用的是第三种配置
arp_ignore:定义接受到ARP请求时的相应级别
0： 只要本地配置的有相应地址，就给予响应。（默认）
1： 仅回应目标IP地址是本地的入网地址的arp请求。
2： 仅回应目标IP地址是本地的入网地址，而且源IP和目标IP在同一个子网的arp请 求。
3： 不回应该网络界面的arp请求，而只对设置的唯一和连接地址做出回应
4-7：保留未使用
8： 不回应所有的arp请求。
arp_announce：定义将自己地址向外通告是的通告级别;
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
5.3.3、DR特性
- 特点1：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。
- Director和RS的VIP为同一个VIP。
- 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。
- 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)
- RS上的lo接口配置VIP的IP地址
- DR模式是市面上用得最广的。
- 缺陷：RS和DS必须在同一机房中
补充：特点1的解决方法：
- 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。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。
- 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。
- 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。
六、LVS的调度算法
- 固定调度算法：rr，wrr，dh，sh
固定调度算法：即调度器不会去判断后端服务器的繁忙与否，一如既往得将请求派发下去。
- 动态调度算法：wlc，lc，lblc，lblcr
动态调度算法：调度器会去判断后端服务器的繁忙程度，然后依据调度算法动态得派发请求。
6.1、rr：轮询（round robin）
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。这个调度的缺点是，不管后端服务器的繁忙程度是怎样的，调度器都会讲请求依次发下去。如果A服务器上的请求很快请求完了，而B服务器的请求一直持续着，将会导致B服务器一直很忙，而A很闲，这样便没起到均衡的左右。
6.2、wrr：加权轮询（weight round robin）
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。
6.3、dh：目标地址散列调度算法 （destination hash）
简单的说，即将同一类型的请求分配给同一个后端服务器，例如将以 .jgp、.png等结尾的请求转发到同一个节点。这种算法其实不是为了真正意义的负载均衡，而是为了资源的分类管理。这种调度算法主要应用在使用了缓存节点的系统中，提高缓存的命中率。
6.4、sh：源地址散列调度算法（source hash）
即将来自同一个ip的请求发给后端的同一个服务器，如果后端服务器工作正常没有超负荷的话。这可以解决session共享的问题，但是这里有个问题，很多企业、社区、学校都是共用的一个IP，这将导致请求分配的不均衡。
6.5、lc：最少连接数（least-connection）
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。这里问题是无法做到会话保持，即session共享。
6.6、wlc：加权最少连接数（weight least-connection）
这个比最少连接数多了一个加权的概念，即在最少连接数的基础上加一个权重值，当连接数相近，权重值越大，越优先被分派请求。
6.7、lblc：基于局部性的最少连接调度算法（locality-based least-connection）
将来自同一目的地址的请求分配给同一台RS如果这台服务器尚未满负荷，否则分配给连接数最小的RS，并以它为下一次分配的首先考虑。
6.8、lblcr：基于地址的带重复最小连接数调度 (Locality-Based Least-Connection with Replication)
这个用得少，可以略过。
七、LVS集群的特点
LVS集群的特点可以归结如下：
7.1、功能
有实现三种IP负载均衡技术和八种连接调度算法的IPVS软件。在IPVS内部实现上，采用了高效的Hash函数和垃圾回收机制，能正确处理所调度报文相 关的ICMP消息（有些商品化的系统反而不能）。虚拟服务的设置数目没有限制，每个虚拟服务有自己的服务器集。它支持持久的虚拟服务（如HTTP Cookie和HTTPS等需要该功能的支持），并提供详尽的统计数据，如连接的处理速率和报文的流量等。针对大规模拒绝服务（Deny of Service）攻击，实现了三种防卫策略。
有基于内容请求分发的应用层交换软件KTCPVS，它也是在Linux内核中实现。有相关的集群管理软件对资源进行监测，能及时将故障屏蔽，实现系统的高可用性。主、从调度器能周期性地进行状态同步，从而实现更高的可用性。
7.2、适用性
后端服务器可运行任何支持TCP/IP的操作系统，包括Linux，各种Unix（如FreeBSD、Sun Solaris、HP Unix等），Mac/OS和Windows NT/2000等。
负载调度器能够支持绝大多数的TCP和UDP协议：
| 协议 | 内 容 |
|---|---|
| TCP | HTTP，FTP，PROXY，SMTP，POP3，IMAP4，DNS，LDAP，HTTPS，SSMTP等 |
| UDP | DNS，NTP，ICP，视频、音频流播放协议等 |
无需对客户机和服务器作任何修改，可适用大多数Internet服务。
7.3、性能
LVS服务器集群系统具有良好的伸缩性，可支持几百万个并发连接。配置100M网卡，采用VS/TUN或VS/DR调度技术，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。
7.4、可靠性
LVS服务器集群软件已经在很多大型的、关键性的站点得到很好的应用，所以它的可靠性在真实应用得到很好的证实。有很多调度器运行一年多，未作一次重启动。
7.5、软件许可证
LVS集群软件是按GPL（GNU Public License）许可证发行的自由软件，这意味着你可以得到软件的源代码，有权对其进行修改，但必须保证你的修改也是以GPL方式发行。
