LVS集群和LVS负载均衡的四种工作模式
LVS结构
LVS集群分为三层结构：
1.负载调度器(Load Blancer):是整个LVS集群对外的前端机器，负责敬爱嗯client的请求发送到一组服务器【多台 LB IP】上执行，而client则认为返回来是同一个IP(通常把这个IP成为虚拟ip或VIP)
2.服务器池(server pool):一组真正执行clinet请求的服务器，一般是web服务器；除了web，还有FTP、MAIL、DNS等
3.共享存储(shared stord):它为server pool提供了一个共享的存储区，很容易让服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务
LVS相关术语
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：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
什么是集群
一组通过高速网络互联的计算组,并以单一系统的模式加以管理
将很多服务器集中在一起,提供一种服务,在客户端看来就象是只有一个服务器
可以在付出较低成本的情况下获得在性能,可靠性,灵活性方面的相对较高的收益
任务调度是集群系统的核心技术
集群的目的
提高性能:计算密集应用,如天气预报,核试验模拟
降低成本:相对百万美元的超级计算机,价格便宜
提高可扩展性:只要增加集群节点即可
增强可靠性:多个节点完成相同功能,避免单点失败
集群分类
高性能计算集群HPC
通过以集群开发的并发应用程序,解决复杂的科学问题
负载均衡(LB)集群
客户端负载在计算机集群中尽可能平均分摊
高可用(HA)集群
避免单点故障,当一个系统发生故障时,可以快速迁移
LVS 的四种工作模式
1、NAT模式
原理 ：
这个是通过网络地址转换的方法来实现调度的。首先调度器(LB)接收到客户的请求数据包时（请求的目的IP为VIP），根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后调度就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）,这样真实服务器（RS）就能够接收到客户的请求数据包了。真实服务器响应完请求后，查看默认路由（NAT模式下我们需要把RS的默认路由设置为LB服务器。）把响应后的数据包发送给LB,LB再接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端。
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。
原理图简述：
客户端请求数据，目标IP为VIP
请求数据到达LB服务器，LB根据调度算法将目的地址修改为RIP地址及对应端口（此RIP地址是根据调度算法得出的。）并在连接HASH表中记录下这个连接。
数据包从LB服务器到达RS服务器webserver，然后webserver进行响应。Webserver的网关必须是LB，然后将数据返回给LB服务器。
收到RS的返回后的数据，根据连接HASH表修改源地址VIP&目标地址CIP，及对应端口80.然后数据就从LB出发到达客户端。
客户端收到的就只能看到VIP\DIP信息。
总结：
集群节点处于同一网络环境中
真实服务器必须网关指向负载调度器
RIP通常是私有IP地址，仅用于各个节点通信
负载调度器必须位于RS(客户)与DS(真实服务器)之间，充当网关；
支持端口映射，即用户请求的端口和真实服务器的端口可以不一致。；
负载调度器必须是Linux操作系统，真是服务器随意；
进出数据报文都要经过负载调度器，负载调度器压力比较大。
2、TUN模式（隧道模式）
原理
virtual server via ip tunneling模式:采用NAT模式时，由于请求和响应的报文必须通过调度器地址重写，当客户请求越来越多时，调度器处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题，调度器把请求的报文通过IP隧道转发到真实的服务器。真实的服务器将响应处理后的数据直接返回给客户端。这样调度器就只处理请求入站报文，由于一般网络服务应答数据比请求报文大很多，采用VS/TUN模式后，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。
VS/TUN的工作流程图如下所示，它和NAT模式不同的是，它在LB和RS之间的传输不用改写IP地址。而是把客户请求包封装在一个IP tunnel里面，然后发送给RS节点服务器，节点服务器接收到之后解开IP tunnel后，进行响应处理。并且直接把包通过自己的外网地址发送给客户不用经过LB服务器。
Tunnel原理流程图:
原理图过程简述：
客户请求数据包，目标地址VIP发送到LB上。
LB接收到客户请求包，进行IP Tunnel封装。即在原有的包头加上IP Tunnel的包头。然后发送出去。
RS节点服务器根据IP Tunnel包头信息（此时就有一种逻辑上的隐形隧道，只有LB和RS之间懂）收到请求包，然后解开IP Tunnel包头信息，得到客户的请求包并进行响应处理。
响应处理完毕之后，RS服务器使用自己的出公网的线路，将这个响应数据包发送给客户端。源IP地址还是VIP地址。
3、DR模式（直接路由模式）
原理
DR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的，而真实服务器响应后的处理结果直接返回给客户端用户。同TUN模式一样，DR模式可以极大的提高集群系统的伸缩性。而且DR模式没有IP隧道的开销，对集群中的真实服务器也没有必要必须支持IP隧道协议的要求。但是要求调度器LB与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上，必须在同一个局域网环境。
DR模式是互联网使用比较多的一种模式。
DR模式原理图：
DR模式将报文直接路由给目标真实服务器。在DR模式中，调度器根据各个真实服务器的负载情况，连接数多少等，动态地选择一台服务器，不修改目标IP地址和目标端口，也不封装IP报文，而是将请求报文的数据帧的目标MAC地址改为真实服务器的MAC地址。然后再将修改的数据帧在服务器组的局域网上发送。因为数据帧的MAC地址是真实服务器的MAC地址，并且又在同一个局域网。那么根据局域网的通讯原理，真实复位是一定能够收到由LB发出的数据包。真实服务器接收到请求数据包的时候，解开IP包头查看到的目标IP是VIP。（此时只有自己的IP符合目标IP才会接收进来，所以我们需要在本地的回环借口上面配置VIP。
另：由于网络接口都会进行ARP广播响应，但集群的其他机器都有这个VIP的lo接口，都响应就会冲突。所以我们需要把真实服务器的lo接口的ARP响应关闭掉。）然后真实服务器做成请求响应，之后根据自己的路由信息将这个响应数据包发送回给客户，并且源IP地址还是VIP。
优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，就能处理很巨大的请求量，这种方式，一台负载均衡器能够为很多RS进行分发。而且跑在公网上就能进行不同地域的分发。
DR模式简述：
1、通过在调度器LB上修改数据包的目的MAC地址实现转发。注意源地址仍然是CIP，目的地址仍然是VIP地址。
2、请求的报文经过调度器，而RS响应处理后的报文无需经过调度器LB，因此并发访问量大时使用效率很高（和NAT模式比）
3、因为DR模式是通过MAC地址改写机制实现转发，因此所有RS节点和调度器LB只能在一个局域网里面
4、RS主机需要绑定VIP地址在LO接口上，并且需要配置ARP抑制。
5、RS节点的默认网关不需要配置成LB，而是直接配置为上级路由的网关，能让RS直接出网就可以。
6、由于DR模式的调度器仅做MAC地址的改写，所以调度器LB就不能改写目标端口，那么RS服务器就得使用和VIP相同的端口提供服务。
总结：
集群节点处于同一局域网
真实服务器网关指向路由器网关；
RIP通常是私有IP地址，仅用于各个节点通信；
负载调度器必须位于RS(客户)与DS(真实服务器)之间，充当网关；
不支持端口映射；
负载调度器必须是Linux操作系统，真实服务器最好是Linux；
调度器仅做MAC地址的改写，处理后的报文无需经过调度器，调度器压力相对NAT模式小
4、LVS-FULLNAT转发模式
第四种模式至今没有正式版
在大规模的网络下，在淘宝的业务中，官方LVS满足不了需求；原因有3点，
- 刚才讲三种转发模式，部署成本比较高；
- 和商用的负载均衡比，LVS没有DDOS防御攻击功能；
- 主备部署模式，性能无法扩展；一个VIP下的流量特别大怎么办？
FULLNAT原理：
FULLNAT转发数据包是类似NAT模式，IN和OUT数据包都是经过LVS；唯一的区别：后端RealServer 或者交换机不需要做任何配置。
FULLNAT的主要原理是引入local address（内网ip地址），cip-vip转换为lip->rip，而 lip和rip均为IDC内网ip，可以跨vlan通讯
NAT原理图：
FULLNAT原理图：
如图所示，相比NAT模式，FullNAT多了一个Local IP，IP地址转换时，源和目的IP都改了，即SNAT+DNAT。
FULLNAT模式的优缺点：
FULLNAT一个最大的问题是：RealServer无法获得用户IP；为了解决这个问题我们提出了TOA的概念，主要原理是：将client address放到了TCP Option里面带给后端RealServer，RealServer上通过toa内核模块hack了getname函数，给用户态返回TCP Option中的client ip。
LVS负载均衡调度算法
1.轮询调度
轮询调度（Round Robin 简称'RR'）算法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实现简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器。
2.加权轮询调度
加权轮询（Weight Round Robin 简称'WRR'）算法主要是对轮询算法的一种优化与补充，LVS会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加一个权值，如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度器调度到服务器B的请求会是服务器A的两倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。
3.最小连接调度
最小连接调度（Least Connections 简称'LC'）算法是把新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器。最小连接调度是一种动态的调度算法，它通过服务器当前活跃的连接数来估计服务器的情况。调度器需要记录各个服务器已建立连接的数目，当一个请求被调度到某台服务器，其连接数加1；当连接中断或者超时，其连接数减1。
（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比较好地均衡负载。)
4.加权最小连接调度
加权最少连接（Weight Least Connections 简称'WLC'）算法是最小连接调度的超集，各个服务器相应的权值表示其处理性能。服务器的缺省权值为1，系统管理员可以动态地设置服务器的权值。加权最小连接调度在调度新连接时尽可能使服务器的已建立连接数和其权值成比例。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。
5.基于局部的最少连接
基于局部的最少连接调度（Locality-Based Least Connections 简称'LBLC'）算法是针对请求报文的目标IP地址的 负载均衡调度，目前主要用于Cache集群系统，因为在Cache集群客户请求报文的目标IP地址是变化的。这里假设任何后端服务器都可以处理任一请求，算法的设计目标是在服务器的负载基本平衡情况下，将相同目标IP地址的请求调度到同一台服务器，来提高各台服务器的访问局部性和Cache命中率，从而提升整个集群系统的处理能力。LBLC调度算法先根据请求的目标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，则使用'最少连接'的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到服务器。
6.带复制的基于局部性的最少连接
带复制的基于局部性的最少连接（Locality-Based Least Connections with Replication 简称'LBLCR'）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。按'最小连接'原则从该服务器组中选出一一台服务器，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'原则从整个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到这个服务器组中，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。
7.目标地址散列调度
目标地址散列调度（Destination Hashing 简称'DH'）算法先根据请求的目标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并未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
8.源地址散列调度U
源地址散列调度（Source Hashing 简称'SH'）算法先根据请求的源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并未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。它采用的散列函数与目标地址散列调度算法的相同，它的算法流程与目标地址散列调度算法的基本相似。
9.最短的期望的延迟
最短的期望的延迟调度（Shortest Expected Delay 简称'SED'）算法基于WLC算法。举个例子吧，ABC三台服务器的权重分别为1、2、3 。那么如果使用WLC算法的话一个新请求进入时它可能会分给ABC中的任意一个。使用SED算法后会进行一个运算
A：（1+1）/1=2 B：（1+2）/2=3/2 C：（1+3）/3=4/3 就把请求交给得出运算结果最小的服务器。
10.最少队列调度
最少队列调度（Never Queue 简称'NQ'）算法，无需队列。如果有realserver的连接数等于0就直接分配过去，不需要在进行SED运算。
