lvs负载均衡集群

时间  2020-12-24

LVS

1. lvs是什么

LVS，全称Linux Virtual Server，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。
1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。
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2. lvs能做什么

  • LVS主要用于多服务器的负载均衡。
  • 工作在网络层，可以实现高性能，高可用的服务器集群技术。
  • 廉价，可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器。
  • 易用，配置非常简单，且有多种负载均衡的方法。
  • 稳定可靠，即使在集群的服务器中某台服务器无法正常工作，也不影响整体效果。
  • 可扩展性也非常好。

3. 名词解释

VS：Virtual Server 调度器，也叫Director
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，虚拟IP，公布给用户访问的IP地址。
DIP：Director Server IP，与RS通信的IP。
RIP：Real Server IP，后端主机IP。
CIP：Client IP，客户端IP。

4. lvs体系结构

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使用LVS架设的服务器集群系统有三个组成部分。

  • 最前端负载均衡层，用LoadBalancer表示 。
  • 中间的服务器群组层，用ServerArray表示。
  • 最底层的数据共享存储层，用Share Storage表示。

  1. 前端负载均衡层
    Load Balancer层，位于整个集群系统的最前端。由一台或多台负载调度器（Director Server）组成，LVS模块就安装在调度器上。调度器的作用类似于路由器，它含有完成LVS功能所设定的路由表，通过这些路由表把用户的请求分发给Array Server层的应用服务器（真实服务器）。同时在调度器上，还要安装对真实服务器服务的监控模块Ldirectord，Ldirectord模块用于检测各个真实服务器的健康状况，在真实服务器不可用时把它从LVS路由表剔除，恢复时重新加入

    Director Server是整个LVS集群系统的核心。Linux2.6的内核默认支持LVS功能

  2. 中间服务器群组层
    Array Server层，由一组实际运行的应用服务器/真实服务器组成，真实服务器（Real Server）可以是web服务器，mail服务器，DNS服务器，FTP服务器，视频服务器中的一个或多个。每个真实服务器之间可以通过高速LAN或分布在各地的WAN相连接。在实际应用中，调度器也可以兼任真实服务器的角色。

  3. 底层数据共享存储层
    SharedStorage层，为所有Real Server提供共享存储空间和内容一致性的存储区域。在物理上，一般由磁盘阵列设备组成，为了提供内容一致性，一般通过NFS网络文件系统共享数据，但是NFS在繁忙的业务系统中，性能不是很好，此时可以采用集群文件系统，例如Red Hat的GFS文件系统，oracle提供的OCFS2文件系统。

5. LVS 4种工作模式

5.1 LVS-NAT

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  1. 当用户请求到达DS，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RS
  5. RS比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给DS。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
  6. DS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

5.1.1

  • RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
  • DIP和RIP必须在同一个网段内
  • 请求和响应报文都需要经过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈
  • 支持端口映射
  • 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

5.2 LVS-DR

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  1. 当用户请求到达DS，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，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
  4. 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RS。
  5. 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
  6. 响应报文最终送达至客户端

5.2.1

  • 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
  • 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
  • 缺陷：RS和DS必须在同一机房中

5.3 LVS-TUN

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  1. 当用户请求到达DS，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. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 响应报文最终送达至客户端

5.3.1

  • 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
    企业中最常用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便。

5.4 LVS-FULLNAT

用户发起请求，源目标CIP/目标VIP
调度发现用户请求需要发送给RS，然后修改源CIP/目标VIP成源DIP/目标RIP(RS1)
RS1收到请求后，将响应报文原路返回，这时源RIP/目标DIP
调度器将响应报文再次修改，最后变成源VIP/目标CIP响应给客户

5.4.1

  • 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
  • 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
  • 请求和响应报文都经由Director
  • 支持端口映射
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