LVS负载均衡介绍

负载均衡集群典型的开源软件：lvs，nginx，haproxy，lighttpd。

高可用性集群典型典型常用开源软件：keepalived，beartbeat

商业的硬件负载设备： F5、Netscale

LoadBalancer是负载调度器，由它将网络请求无缝隙调度到真实服务器。LVS有三种负载均衡技术，分别是NAT、和DR、TUN、Full-NAT。

LVS 的工作模式主要有 4 种：

DR

NAT

TUNNEL

Full-NAT

IP负载均衡技术

1.VS/DR（直接路由）

通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到真是服务器，真实服务器将响应直接返回给用户，之际额路由模式可以极大的提高集群系统的伸缩性，这种方法没有IP隧道的开销，集群中真实的服务器也没有必要必须支持IP隧道协议，只是需要调度器与真实服务器有一块网卡连在同一物理网段上。

 该模式原理图：

2.VS/NAT（网络地址转换）

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，将请求分发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，再返回到客户端，完成整个调度的过程

 该模式原理图：

3.VS/TUN（IP隧道模式）

调度器将请求的报文通过IP隧道转发至真实服务器，而真实的服务器直接将结果返回给用户，调度器只处理请求报文，由于一般网路服务的应答大于请求，采用IP隧道模式，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。

 该模式原理图：跟DR模式的图一样

4.Full-NAT

无论是 DR 还是 NAT 模式，不可避免的都有一个问题：LVS 和 RS 必须在同一个 VLAN 下，否则 LVS 无法作为 RS 的网关。

这引发的两个问题是：

1、同一个 VLAN 的限制导致运维不方便，跨 VLAN 的 RS 无法接入。

2、LVS 的水平扩展受到制约。当 RS 水平扩容时，总有一天其上的单点 LVS 会成为瓶颈。

Full-NAT 由此而生，解决的是 LVS 和 RS 跨 VLAN 的问题，而跨 VLAN 问题解决后，LVS 和 RS 不再存在 VLAN 上的从属关系，可以做到多个 LVS 对应多个 RS，解决水平扩容的问题。

Full-NAT 相比 NAT 的主要改进是，在 SNAT/DNAT 的基础上，加上另一种转换。

该模式原理图：

其中在这四种IP负载均衡的技术中，DR和TUN模式都需要在真实服务器上对arp_ignore和arp_announce参数进行配置，主要是实现禁止响应对VIP的ARP请求。

NAT模式(调度器将请求的目标ip即vip地址改为Real server的ip, 返回的数据包也经过调度器，调度器再把源地址修改为vip)

DR(调度器将请求来的数据包的目标mac地址改为real server的mac地址，返回的时候也不经过调度器，直接返回给客户端)

TUN模式(调度器将请求来的数据包封装加密通过ip隧道转发到后端的real server上，而real server会直接把数据返回给客户端，而不再经过调度器)

Full-NAT模式在包从 LVS 转到 RS 的过程中，源地址从客户端 IP 被替换成了 LVS 的内网 IP。内网 IP 之间可以通过多个交换机跨 VLAN 通信。

当 RS 处理完接受到的包，返回时，会将这个包返回给 LVS 的内网 IP，这一步也不受限于 VLAN。LVS 收到包后，在 NAT 模式修改源地址的基础上，再把 RS 发来的包中的目标地址从 LVS 内网 IP 改为客户端的 IP。

Full-NAT主要的思想是把网关和其下机器的通信，改为了普通的网络通信，从而解决了跨 VLAN 的问题。采用这种方式，LVS 和 RS 的部署在 VLAN 上将不再有任何限制，大大提高了运维部署的便利性。

一、NAT模式（VS-NAT）

原理：就是把客户端发来的数据包的IP头的目的地址，在负载均衡器上换成其中一台RS的IP地址，并发至此RS来处理,RS处理完成后把数据交给经过负载均衡器,负载均衡器再把数据包的原IP地址改为自己的IP，将目的地址改为客户端IP地址即可期间,无论是进来的流量,还是出去的流量,都必须经过负载均衡器

优点：集群中的物理服务器可以使用任何支持TCP/IP操作系统，只有负载均衡器需要一个合法的IP地址。

缺点：扩展性有限。当服务器节点（普通PC服务器）增长过多时,负载均衡器将成为整个系统的瓶颈，因为所有的请求包和应答包的流向都经过负载均衡器。当服务器节点过多时，大量的数据包都交汇在负载均衡器那，速度就会变慢！

二、IP隧道模式（VS-TUN）

原理：首先要知道，互联网上的大多Internet服务的请求包很短小，而应答包通常很大。那么隧道模式就是，把客户端发来的数据包，封装一个新的IP头标记(仅目的IP)发给RS,RS收到后,先把数据包的头解开,还原数据包,处理后,直接返回给客户端,不需要再经过负载均衡器注意,由于RS需要对负载均衡器发过来的数据包进行还原,所以说必须支持IPTUNNEL协议所以,在RS的内核中,必须编译支持IPTUNNEL这个选项

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。

缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持”IP Tunneling”(IP Encapsulation)协议，服务器可能只局限在部分Linux系统上。

三、直接路由模式（VS-DR）

原理：负载均衡器和RS都使用同一个IP对外服务但只有DR对ARP请求进行响应,所有RS对本身这个IP的ARP请求保持静默也就是说,网关会把对这个服务IP的请求全部定向给DR,而DR收到数据包后根据调度算法,找出对应的RS,把目的MAC地址改为RS的MAC（因为IP一致）并将请求分发给这台RS这时RS收到这个数据包,处理完成之后，由于IP一致，可以直接将数据返给客户，则等于直接从客户端收到这个数据包无异,处理后直接返回给客户端由于负载均衡器要对二层包头进行改换,所以负载均衡器和RS之间必须在一个广播域,也可以简单的理解为在同一台交换机上

优点：和TUN（隧道模式）一样，负载均衡器也只是分发请求，应答包通过单独的路由方法返回给客户端。与VS-TUN相比，VS-DR这种实现方式不需要隧道结构，因此可以使用大多数操作系统做为物理服务器。

缺点：（不能说缺点，只能说是不足）要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上。

LVS 三种工作模式原理、以及优缺点比较

一、NAT模式（VS-NAT）

原理：就是把客户端发来的数据包的IP头的目的地址，在负载均衡器上换成其中一台RS的IP地址，并发至此RS来处理,RS处理完成后把数据交给经过负载均衡器,负载均衡器再把数据包的原IP地址改为自己的IP，将目的地址改为客户端IP地址即可期间,无论是进来的流量,还是出去的流量,都必须经过负载均衡器

优点：集群中的物理服务器可以使用任何支持TCP/IP操作系统，只有负载均衡器需要一个合法的IP地址。

缺点：扩展性有限。当服务器节点（普通PC服务器）增长过多时,负载均衡器将成为整个系统的瓶颈，因为所有的请求包和应答包的流向都经过负载均衡器。当服务器节点过多时，大量的数据包都交汇在负载均衡器那，速度就会变慢！

二、IP隧道模式（VS-TUN）

原理：首先要知道，互联网上的大多Internet服务的请求包很短小，而应答包通常很大。那么隧道模式就是，把客户端发来的数据包，封装一个新的IP头标记(仅目的IP)发给RS,RS收到后,先把数据包的头解开,还原数据包,处理后,直接返回给客户端,不需要再经过负载均衡器注意,由于RS需要对负载均衡器发过来的数据包进行还原,所以说必须支持IPTUNNEL协议所以,在RS的内核中,必须编译支持IPTUNNEL这个选项

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。

缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持”IP Tunneling”(IP Encapsulation)协议，服务器可能只局限在部分Linux系统上。

三、直接路由模式（VS-DR）

原理：负载均衡器和RS都使用同一个IP对外服务但只有DR对ARP请求进行响应,所有RS对本身这个IP的ARP请求保持静默也就是说,网关会把对这个服务IP的请求全部定向给DR,而DR收到数据包后根据调度算法,找出对应的RS,把目的MAC地址改为RS的MAC（因为IP一致）并将请求分发给这台RS这时RS收到这个数据包,处理完成之后，由于IP一致，可以直接将数据返给客户，则等于直接从客户端收到这个数据包无异,处理后直接返回给客户端由于负载均衡器要对二层包头进行改换,所以负载均衡器和RS之间必须在一个广播域,也可以简单的理解为在同一台交换机上

优点：和TUN（隧道模式）一样，负载均衡器也只是分发请求，应答包通过单独的路由方法返回给客户端。与VS-TUN相比，VS-DR这种实现方式不需要隧道结构，因此可以使用大多数操作系统做为物理服务器。

缺点：（不能说缺点，只能说是不足）要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上。

LVS调度算法

LVS主要的调度算法

轮询调度-加权轮询调度-最小连接调度-加权最小连接调度-基于局部性的最少连接-

带复制的基于局部性的最少连接-目标地址散列调度-源地址散列调度

1：轮询算法(RR)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

2：加权轮询算法(WRR)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：最小连接调度算法(LC)将把请求调度到连续数量最小的服务器上，

4：加权最小连接算法(WLC)则是给每台服务器一个权值，调度器会尽可能保持服务器连接数量与权值之间的平衡

5：基于局部性的最少连接调度算法(lblc)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，并且用能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则会继续选择其他可行的服务器。

6：带复杂的基于局部性最少的连接算法(lblcr)激励的不是一个目标IP与一台服务器之间的连接记录，他会维护一个目标IP到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负责过高

7：目标地址散列调度算法(DH)也是根据目标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。

8：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

本文出自 “比尔linux运维笔记” 博客，请务必保留此出处http://chenshoubiao.blog.51cto.com/6159058/1884466

LVS负载均衡介绍