Linux负载均衡--LVS（IPVS）

一、LVS简介

　　LVS是Linux Virtual Server的简称，也就是Linux虚拟服务器, 是一个由章文嵩博士发起的自由软件项目，现在已经是 Linux标准内核的一部分。LVS是一种叫基于TCP/IP的负载均衡技术，转发效率极高，具有处理百万计并发连接请求的能力。

　　LVS的IP负载均衡技术是通过IPVS模块实现的。IPVS模块是LVS集群的核心软件模块，它安装在LVS集群作为负载均衡的主节点上，虚拟出一个IP地址和端口对外提供服务。用户通过访问这个虚拟服务（VS），然后访问请求由负载均衡器（LB）调度到后端真实服务器（RS）中，由RS实际处理用户的请求给返回响应。

 

二、IPVS的三种转发模式

　　根据负载均衡器转发客户端请求以及RS返回响应机制的不同，将IPVS的转发模式分为三种：NAT，DR，FULLNAT。（还有一种IP TUNNEL模式，IP通道技术，接触比较少）

1. DR模式（Direct Routing）

　　DR模式下，客户端的请求包到达负载均衡器的虚拟服务IP端口后，负载均衡器不会改写请求包的IP和端口，但是会改写请求包的MAC地址为后端RS的MAC地址，然后将数据包转发；真实服务器处理请求后，响应包直接回给客户端，不再经过负载均衡器。所以DR模式的转发效率是最高的，特别适合下行流量较大的业务场景，比如请求视频等大文件。

　　DR模式的特点：

• 数据包在LB转发过程中，源/目的IP端口都不会变化

　　LB只是将数据包的MAC地址改写为RS的MAC地址，然后转发给相应的RS。

• 每台RS上都必须在环回网卡上绑定LB的虚拟服务IP

　　因为LB转发时并不会改写数据包的目的IP，所以RS收到的数据包的目的IP仍是LB的虚拟服务IP。为了保证RS能够正确处理该数据包，而不是丢弃，必须在RS的环回网卡上绑定LB的虚拟服务IP。这样RS会认为这个虚拟服务IP是自己的IP，自己是能够处理这个数据包的。否则RS会直接丢弃该数据包！

• RS上的业务进程必须监听在环回网卡的虚拟服务IP上，且端口必须和LB上的虚拟服务端口一致

　　因为LB不会改写数据包的目的端口，所以RS服务的监听端口必须和虚拟服务端口一致，否则RS会直接拒绝该数据包。

• RS处理完请求后，响应直接回给客户端，不再经过LB

　　因为RS收到的请求数据包的源IP是客户端的IP，所以理所当然RS的响应会直接回给客户端，而不会再经过LB。这时候要求RS和客户端之间的网络是可达的。

• LB和RS须位于同一个子网

　　因为LB在转发过程中需要改写数据包的MAC为RS的MAC地址，所以要能够查询到RS的MAC。而要获取到RS的MAC，则需要保证二者位于一个子网，否则LB只能获取到RS网关的MAC地址。

　　2. NAT模式（Network Address Translation）

　　NAT模式下，请求包和响应包都需要经过LB处理。当客户端的请求到达虚拟服务后，LB会对请求包做目的地址转换（DNAT），将请求包的目的IP改写为RS的IP。当收到RS的响应后，LB会对响应包做源地址转换（SNAT），将响应包的源IP改写为LB的IP。

　　NAT模式的特点：

• LB会修改数据包的地址

　　对于请求包，会进行DNAT；对于响应包，会进行SNAT。

• LB会透传客户端IP到RS（DR模式也会透传）

　　虽然LB在转发过程中做了NAT转换，但是因为只是做了部分地址转发，所以RS收到的请求包里是能看到客户端IP的。

• 需要将RS的默认网关地址配置为LB的浮动IP地址

　　因为RS收到的请求包源IP是客户端的IP，为了保证响应包在返回时能走到LB上面，所以需要将RS的默认网关地址配置为LB的虚拟服务IP地址。当然，如果客户端的IP是固定的，也可以在RS上添加明细路由指向LB的虚拟服务IP，不用改默认网关。

• LB和RS须位于同一个子网，并且客户端不能和LB/RS位于同一子网

　　因为需要将RS的默认网关配置为LB的虚拟服务IP地址，所以需要保证LB和RS位于同一子网。

　　又因为需要保证RS的响应包能走回到LB上，则客户端不能和RS位于同一子网。否则RS直接就能获取到客户端的MAC，响应包就直接回给客户端了，不会走网关，也就走不到LB上面了。这时候由于没有LB做SNAT，客户端收到的响应包源IP是RS的IP，而客户端的请求包目的IP是LB的虚拟服务IP，这时候客户端无法识别响应包，会直接丢弃。

 

　　3. FULLNAT模式

　　FULLNAT模式下，LB会对请求包和响应包都做SNAT+DNAT。

　　FULLNAT模式的特点：

• LB完全作为一个代理服务器

　　FULLNAT下，客户端感知不到RS，RS也感知不到客户端，它们都只能看到LB。此种模式和七层负载均衡有点相似，只不过不会去解析应用层协议，而是在TCP层将消息转发

• LB和RS对于组网结构没有要求

　　不同于NAT和DR要求LB和RS位于一个子网，FULLNAT对于组网结构没有要求。只需要保证客户端和LB、LB和RS之间网络互通即可。

　　三种转发模式性能从高到低：DR > NAT >FULLNAT。

　　虽然FULLNAT模式的性能比不上DR和NAT，但是FULLNAT模式没有组网要求，允许LB和RS部署在不同的子网中，这给运维带来了便利。并且 FULLNAT模式具有更好的可拓展性，可以通过增加更多的LB节点，提升系统整体的负载均衡能力。

三、IPVS支持的调度算法

　　对于后端的RS集群，LB是如何决策应该把消息调度到哪个RS节点呢？这是由负载均衡调度算法决定的。IPVS常用的调度算法有：

• 轮询（Round Robin）

　　LB认为集群内每台RS都是相同的，会轮流进行调度分发。从数据统计上看，RR模式是调度最均衡的。

• 加权轮询（Weighted Round Robin）

　　LB会根据RS上配置的权重，将消息按权重比分发到不同的RS上。可以给性能更好的RS节点配置更高的权重，提升集群整体的性能。

• 最小连接数（Least Connections）

　　LB会根据和集群内每台RS的连接数统计情况，将消息调度到连接数最少的RS节点上。在长连接业务场景下，LC算法对于系统整体负载均衡的情况较好；但是在短连接业务场景下，由于连接会迅速释放，可能会导致消息每次都调度到同一个RS节点，造成严重的负载不均衡。

• 加权最小连接数（Weighted Least Connections）

　　最小连接数算法的加权版~

• 地址哈希（Address Hash）

　　LB上会保存一张哈希表，通过哈希映射将客户端和RS节点关联起来。