LVS 三种负载均衡模式详解
LVS 三种负载均衡模式详解
LVS 介绍：
主流开源软件LVS、keepalived、haproxy、nginx等
其中LVS属于4层（网络OSI 7层模型），nginx属于7层，haproxy既可以认为是4层，也可以当做7层使用
keepalived的负载均衡功能其实就是内嵌了lvs的功能。
lvs这种4层的负载均衡是可以分发除80外的其他端口通信的，比如MySQL的，而nginx仅仅支持http，https，mail，haproxy也支持MySQL这种
相比较来说，LVS这种4层的更稳定，能承受更多的请求，而nginx这种7层的更加灵活，能实现更多的个性化需求。
LVS是由国人章文嵩开发
流行度不亚于apache的httpd，基于TCP/IP做的路由和转发，稳定性和效率很高
LVS最新版本基于Linux内核2.6，有好多年不更新了
LVS架构中有一个核心角色叫做分发器（Load balancer），它用来分发用户的请求，还有诸多处理用户请求的服务器（Real Server，简称rs）
在调度器的实现技术中，IP负载均衡技术是效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中有通过网络地址转换（Network Address Translation）将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器，我们称之为VS/NAT技术（Virtual Server via Network Address Translation），大多数商品化的IP负载均衡调度器产品都是使用此方法，如Cisco的LocalDirector、F5的Big/IP和 Alteon的ACEDirector。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上，我们提出通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN （Virtual Server via IP Tunneling），和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR（Virtual Server via Direct Routing），它们可以极大地提高系统的伸缩性。所以，IPVS软件实现了这三种IP负载均衡技术，它们的大致原理如下（我们将在其他章节对其工作原 理进行详细描述）：
LVS有三种常见的模式：NAT、DR、IP Tunnel
LVS NAT模式:
工作原理：
Virtual Server via Network Address Translation（VS/NAT）
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。。
缺点：
可想而知，Load Balancer的角色就是分发，如果访问流量很大，它既要处理分发给Real server又要处理访问的请求，同时还要把处理的结果传给用户，这样就影响了性能，降低了效率。所以使用这种模式作为业务运行的时候业务量不大可以考虑，规模在10台一下，问题不大，除非硬件资源全千兆环境+万兆光纤。
优势：
在nat模式中，只需要分发器有公网ip即可，其他的real server均为内网IP即可，所以比较节省公网ip资源。
LVS IP Tunnel模式：
工作原理：
Virtual Server via IP Tunneling（VS/TUN）
采用NAT技术时，由于请求和响应报文都必须经过调度器地址重写，当客户请求越来越多时，调度器的处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题，调度器把请求报 文通过IP隧道转发至真实服务器，而真实服务器将响应直接返回给客户，所以调度器只处理请求报文。由于一般网络服务应答比请求报文大许多，采用 VS/TUN技术后，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。
Load Balancer：
客户端请求的目标IP为vip，分发器接收到请求数据包后，会对数据包做一个加工，会把目标IP改为rs的IP，依次转发数据到rs上。
Real server：
rs接收数据包后，会还原原始数据包，这样目标IP为vip，因为所有rs上配置了这个vip，所以它会认为是它自己，然后处理完请求就会直接通过公网的IP不需要通过Load Balancer传送给用户！
由此看来，Load Balancer的压力相对于NAT模式要提升了很大的效率，Load Balancer只需要处理用户访问的数据即可。大大提升了效率。
LVS DR模式：
Virtual Server via Direct Routing（VS/DR）
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。
Load Balancer：
和IP Tunnel不同的是，它会把数据包的MAC地址修改为rs的MAC地址。
Real server：
rs接收数据包后，会还原原始数据包，这样目标IP为vip，因为所有rs上配置了这个vip，所以它会认为是它自己
和IP Tunnel不同的是，IP Tunnel使用的是目标IP。 DR模式使用的是Mac地址。
LVS的调度算法：
针对不同的网络服务需求和服务器配置，IPVS调度器实现了如下八种负载调度算法：
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。
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。
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。
更多详情点击如下链接：
http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs2.html
腾讯云开发者
