LVS虚拟服务器的实现方式

一、LVS相关实验介绍

IP 负载均衡技术是在负载调度器的实现技术中效率最高的，LVS 的 IP 负载技术被广泛地应用各种不同的大型企业集群中，带来稳定、可靠的服务。

实验涉及的知识点

• 负载均衡解决方法
• VS/NAT 实现虚拟服务器
• VS/DR 实现虚拟服务器
• VS/TUN 实现虚拟服务器

二、负载均衡的解决方法

在以软件实现的负载均衡的方式有：

• 基于应用层负载均衡
• 基于 IP 层负载均衡

其中基于应用层负载均衡：多台服务器通过高速的互联网络连接成一个集群系统，在前端有一个基于应用层的负载调度器。当用户访问请求到达调度器时，请求会提交给做负载均衡调度的应用程序，分析请求，根据各个服务器的负载情况，选出一台服务器，重写请求并向选出的服务器访问，取得结果后，再返回给用户。

典型的代表有 Nginx 以及 Apache 的 Rewrite 模块。

应用层的负载均衡实现这样强大的功能也会付出一定的代价：

• 系统处理开销较大，致使系统的伸缩性有限。
• 基于应用层的负载均衡调度器对于不同的应用，需要写不同的调度器。

而基于 IP 层负载均衡：用户通过虚拟 IP 地址（Virtual IP Address）访问服务时，访问请求的报文会到达负载调度器，由它进行负载均衡调度，从一组真实服务器选出一个，将报文处理并转发给选定服务器的地址。实服务器的回应报文经过负载调度器时，将报文的源地址和源端口改为 Virtual IP Address 和相应的端口，再把报文发给用户。

而 IP 的负载技术有以下三种模式：

• 通过 NAT 实现虚拟服务器（VS/NAT）
• 通过 IP 隧道实现虚拟服务器（VS/TUN）
• 通过直接路由实现虚拟服务器（VS/DR）

并且在调度器上配置了 8 种调度算法：

• 轮叫（Round Robin）：调度器通过"轮叫"调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载。

• 加权轮叫（Weighted Round Robin）：调度器通过"加权轮叫"调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。

• 最少链接（Least Connections）：调度器通过"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）：在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用"加权最少链接"调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。

• 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。

 

三、LVS/NAT实现虚拟服务器

由于 IPv4 中 IP 地址空间的日益紧张和安全方面的原因，很多网络使用保留 IP地址（10.0.0.0/255.0.0.0、 172.16.0.0/255.128.0.0 和 192.168.0.0/255.255.0.0）。这些地址不在 Internet 上使用，而是专门为内部网络预留的。

当内部网络中的主机要访问 Internet 或被 Internet 访问时，就需要采用网络地址转换（Network Address Translation, 以下简称 NAT），将内部地址转化为 Internet 上可用的外部地址。

NAT 的工作原理是报文头（目标地址、源地址和端口等）被正确改写后，客户相信 它们连接一个 IP 地址，而不同 IP 地址的服务器组也认为它们是与客户直接相连的。由此，可以用 NAT 方法将不同 IP 地址的并行网络服务变成在一个 IP地址上的一个虚拟服务。

VS/NAT（Virtual Server via Network Address Translation）实现的虚拟服务器是这样的一个结构，主要经过这样的一些步骤：

1. 客户端通过 Internet 向服务器发起请求，而请求的 IP 地址指向的是调度器上对外公布的 IP 地址；（因为它并不是真正处理请求的服务器 IP 地址，所以称之为 虚拟 IP 地址，简称为 VIP，Virtual IP Address）
2. 请求报文到达调度器（Load Balancer），调度器根据调度算法从一组真实的服务器（因为他们是真正处理用户请求的服务器，所以称为真实服务器，Real server。其 IP 地址也被称为真实 IP，简称为 RIP）中选出一台当前负载不高的服务器。然后将客户端的请求报文中的目标地址（Load Balancer 的 VIP）和端口通过 iptables 的 NAT 改写为选定服务器的 IP 地址和服务的端口。最后将修改后的报文发送给选出的服务器。同时，调度器在连接Hash 表中记录这个连接；当这个连接的下一个报文到达时，从连接 Hash 表中可以得到原选定服务器的地址和端口，进行同样的改写操作，并将报文传给原选定的服务器。
3. Real Server 接收到报文之后，作出了相应的处理，然后将响应的报文发送给 Load Balancer；
4. Load Balancer 接收到响应的报文时，将报文的源地址和源端口改为 Virtual IP Address和相应的端口，再把报文发给用户。

这样，客户所看到的只是在 Virtual IP Address 上提供的服务，而服务器集群的结构对用户是透明的。

下面，举个例子来进一步说明 VS/NAT，如图所示：

VS/NAT 的配置如下表所示，所有到 IP 地址为 205.100.106.2 和端口为 80 的流量都被负载均衡地调度的真实服务器172.16.1.3:80和 172.16.1.4:8080上。目标地址为 205.100.106.2:21 的报文被转移到172.16.1.3:21上。而到其他端口的报文将被拒绝。

|Protocol | Virtual IP Address |Port |Real IP Address |Port| |--------|--------| |TCP |205.100.106.2| 80 |172.16.1.3 | 80| ||||172.16.1.4| 8080| |TCP |205.100.106.2| 21 |172.16.1.3 | 21|

当客户端访问 Web 服务的时候，报文中可能有以下的源地址和目标地址：

SOURCE	DEST
203.100.106.1:3456	205.100.106.2:80

报文到达调度器之后，调度器从调度列表中选出一台服务器，例如是172.16.1.4:8080。该报文会被改写为如下地址，并将它发送给选出的服务器。

SOURCE	DEST
203.100.106.1:3456	172.16.1.4:8080

Real Server 收到修改后的报文之后，做出响应，然后将响应报文返回到调度器，报文如下：

SOURCE	DEST
172.16.1.4:8080	203.100.106.1:3456

响应报文的源地址会被 Load Balacer 改写为虚拟服务的地址，再将报文发送给客户：

SOURCE	DEST
205.100.106.2:80	203.100.106.1:3456

这样，客户认为是从202.103.106.5:80服务得到正确的响应，而不会知道该请求是 Real Server1 还是 Real Server2 处理的。

这便是 VS/NAT 的处理数据包的整个过程，它有这样的一些特点：

• 集群节点，也就是 Real Server 与 Load Balacer 必须在同一个 IP 网络中
• Load Balancer 位于 Real Server 与客户端之间，处理进出的所有通信
• RIP 通常是私有地址，仅用于各个集群节点之间的通信。
• Real Server 的网关必须指向 Load Balancer
• 支持端口映射：也就是Real Server 的端口可以自己设定，没有必须是与 Load Balancer 一样

VS/NAT 的优势在于可以做到端口映射，但是 Load Balancer 将可能成为集群的瓶颈。因为所有的出入报文都需要 Load Balancer 处理，请求报文较小不是问题，但是响应报文往往较大，都需要 NAT 转换的话，大流量的时候， Load Balancer 将会处理不过来。一般使用 VS/NAT 的话，处理 Real Server 数量达到 10~20 台左右将是极限，并且效率往往不高。

四、LVS/DR实现虚拟服务器

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。

既然同时处理进出报文会大大地影响效率，增加机器的负载，那么若是仅仅处理进来的报文，即在负载调度器中只负责调度请求,而出去的报文由 Real Server 直接发给客户端这样岂不是高效许多。

VS/DR（Virtual Server via Direct Routing）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。

VS/DR 实现的虚拟服务器是这样的一个结构，主要经过这样的一些步骤：

1. 客户端通过 Internet 向服务器发起请求，而请求的 IP 地址指向的是调度器上对外公布的 IP 地址；
2. 请求报文到达调度器（Load Balancer），调度器根据各个服务器的负载情况，动态地选择一台服务器，不修改也不封装 IP 报文，而是将数据帧的 MAC 地址改为选出服务器的 MAC 地址，再将修改后 的数据帧在与服务器组的局域网上发送。因为数据帧的 MAC 地址是选出的服务器，所以服务器肯定可以收到这个数据帧；
3. Real Server 接收到报文之后，发现报文的目标地址 VIP 是在本地的网络设备上，服务器处理这个报文，然后根据路由表将响应报文直接返回给客户。

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做任何修改，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。

这便是 VS/DR 的处理数据包的整个过程，它有这样的一些特点：

• 集群节点，也就是 Real Server 与 Load Balacer 必须在同一个物理网络中（若是不同网段的话结构将变得复杂）
• RIP 通常是私有地址，也可以是公网地址，以便于远程管理与监控。
• Load Balancer 仅仅负责处理入站的请求，Real Server 将直接响应客户端
• Real Server 的网关不能指向 Load Balancer
• 不支持端口映射：也就是 Real Server 的端口必须是与 Load Balancer 对外服务的一样

五、LVS/TUN 实现虚拟服务器

VS/DR 限制 Real Server 与 Load Balancer 必须在同一个物理网络中，那若是分散在各地岂不是无法使用？所以有了 VS/TUN（Virtual Server via IP Tunneling）的诞生。

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 的体系结构如图所示，各个服务器将 VIP 地址配置在自己的 IP 隧道设备上。

它的连接调度和管理与 VS/NAT 中的一样，只是它的报文转发方法不同。调度器根据各个服务器的负载情况，动态地选择一台服务器， 将请求报文封装在另一个 IP 报文中，再将封装后的 IP 报文转发给选出的服务器；服务器收到报文后，先将报文解封获得原来目标地址为 VIP的报文，服务器发现VIP地址被配置在本地的 IP隧道设备上，所以就处理这个请求，然后根据路由表将响应报文直接返回给客户。

这便是 VS/TUN 的处理数据包的整个过程，它有这样的一些特点：

• 集群节点，也就是 Real Server 与 Load Balacer 可以跨越公网
• RIP 必须是公网地址。
• Load Balancer 仅仅负责处理入站的请求，Real Server 将直接响应客户端
• Real Server 的网关不能指向 Load Balancer
• 不支持端口映射：也就是 Real Server 的端口必须是与 Load Balancer 对外服务的一样

这便是 LVS 所提供的 IP 负载均衡的三种技术，我们可以根据自己的情况做出不同的选择。