LVS概念、类型、调度方法、命令操作与实际配置

作者: uangianlap | 来源:发表于2016-10-26 15:35 被阅读1843次

LVS

（一）LVS概念

LVS( Linux Virtual Server)是一种负载均衡(LB,Laod Balance)技术，采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行。LVS是一套组件(ipvs与ipvsadm)，类似与iptables，ipvs相当于netfilter，是能将用户请求转发的框架，需要依赖以规则完成转发，工作于内核中的INPUT链上，并依赖于规则进行转发，而ipvsadm是用来定义规则的工具。LVS工作在TCP/UDP协议的四层，能根据用户请求的IP与PROT进行转发，即LVS能实现四层交换、四层路由。
ipvsadm：用户空间的命令行工具，规则管理器，用于管理集群服务及RealServer
ipvs：工作于内核空间的netfilter的INPUT钩子之上的框架；
LVS集群类型中的术语
Director：负载均衡器,也称VS(Virtual Server)
RS:真实服务器(RealServer)
CIP：客户端IP(Client IP)
VIP: Client所请求的，提供虚拟服务的IP，可以用Keepalive做高可用
DIP:在Director实现与RS通信的IP
RIP:RealServer IP

（二）LVS集群的类型

LVS转发模式有四种：

lvs-nat: 修改请求报文的目标IP
lvs-dr: 操纵封闭新的MAC地址
lvs-tun: 在原请求IP报文之外新加一个IP首部
lvs-fullnat: 修改请求报文的源和目标IP

2.1 LVS-NAT(Network Address Translation)实测可调度10台以内的RS

多目标IP的DNAT,通过将请求报文中的目标地址和目标端口改为某挑出的RS的RIP和PORT实现转发

模型：

NAT简单架构图

lvs-nat的特性
1.RS应该使用私有地址
2.RS的网关必须指向DIP
3.RIP和DIP必须在同一网段内
4.请求和响应的报文都得经过Director，在高负载场景中，Director很可能成为性能瓶颈(因为既要处理请求报文也要处理响应服方的转发,请求报文一般很小,但响应报文一般都比较大)
5.支持端口映射,即可修改请求报文的目标端口.
6.Director必须是Linux系统,RS可以是任意支持集群服务的操作系统.

2.2 LVS/DR(Direct Routing直接路由) 实测可以调度7、8十台RS

通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发,源MAC是DIP所在的接口的MAC,目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址;源IP/PORT,以及目标IP/PORT均保持不变,请求报文经过Dirctor但响应报文不再经过Dirctor

模型：

DR架构图

IP说明

DR类型工作流程
如上图所示：当客户端请求VIP时，通过互联网到达前端路由Route1，再通过交换机到达Dirctor上；而Dirctor在收到请求报文后，通过定义在ipvs规则中的各rip去获得各RS的MAC地址，并在此报文外再封装一个MAC地址,源MAC为Dirctor的DIP端口的MAC而目标MAC改为其中被调度算法选中一个RS的MAC，但该报文的目标ip(VIP)不变，最后通过DIP接口发送给RS；为了RS能接收Dirctor发来的报文，需要在各RS上也配置VIP，但RS上的VIP是需要隔离前端arp广播的，所以需要将各RS上的VIP隐藏（RS上的VIP通常配置到lo网卡接口的别名上，并配合修改Linux内核参数来实现隔离arp广播）；而RS封装响应报文时，源IP为VIP，目标ip为CIP，并通过RIP的网络接口直接向外发送响应，不再经过Dirctor。
需要注意的是：因为Route1的A点的IP和Dirctor的VIP在同一网段内，VIP通常是公网IP；而DIP、RIP通常是私有IP，且这两个IP通常也应在同一物理网络内；假设RIP与Route1的A接口(同Director 的VIP DIP)在同一网段，则这时可将RS的网关指向Route1，否则，Route2只能其它路由器(如Route2)接口访问互联网，且Route2的C点的IP需要与RIP在同一网段内，此时RIP响应的报文就通过Route2发送。

上文黑色斜体部分的实现及确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director后的各RS,方法c是最佳的选择：
(a) 在前端网关即Dirctor做静态绑定：不利于高可用
(b) 在RS上使用arptables：需要额外配置，复杂且学习成本高昂
(c) 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别:

arp_announce 定义arp通告级别 默认0,应设为2 --> echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/enoXXX/arp_announce
arp_ignore 定义arp应答级别 默认0,应设为1 --> echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/enoXXX/arp_ignore

Linux kernel从2.4.26与2.6.4以后引入了两个设备标识，即上面提到的arp_announce arp_ignore来调整arp模式
arp_announce: 向外通告
0:默认的，通告时告之本机所使用的所有地址、配置、接口
1: 尽量只通告接入的网络一端的接口地址（不绝对保证）
2: 必需避免向非本机网络通告    # DR模式需要   内核地址/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
arp_ignore: 应答请求
0: 默认的，响应本机接口上配置的所有的目标IP地址
1:  只响应入栈报文的那个接口     # DR模式需要  地址同上

LVS DR模型的特性
1.RIP与DIP在同一IP网络，RS可以使用私有地址，也可以使用公网地址，此时可以直接通过互联网连入RS，以实现配置、监控等
2.RS的网关一定不能指向DIP
3.RS跟Director要在同一物理网络内（不能有路由器分隔,因为要将报文封装MAC首部进行报文转发）
4.请求报文必须经过Director，但响应报文不能经过Director而是由RS直接发往Client以释放Directory的压力。
5.不支持端口映射(因为响应报文不经过Director)
6.RS可以使用大多数的操作系统
7.Director的VIP对外可见，RS的VIP对外不可见
8.RS跟Director都得配置使用VIP
9.确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director(上文的设置)

2.3 LVS/TUN

模型：在原请求IP报文之外新加一个IP首部(这个新添加的IP首部其源IP是DIP,目标IP是RIP),将报文发往挑选出的目标RS.

TUN

TUN类型工作流程(主要是为了容灾,因为Director与各RS是在不同网段中,所以可以存在于不同的物理空间)

LVS TUN类型特性
1.RIP，DIP，VIP都得是公网地址
2.RS的网关不会指向也不可能指向DIP
3.请求报文经过Directory，但响应报文一定不经过Director
4.不支持端口映射
5.RS的OS必须得支持隧道功能 ??

2.4 LVS/FULLNAT (LVS默认不支持此类型)

通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发
报文件从客户端到调度器时的源目标IP : CIP-->VIP
报文从Director到RS时的源目标IP分别是: DIP-->RIP

特点

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Dirctor还要将其发往Client
请求和响应报文都经由Dirctor
支持端口映射.

（三）LVS调度方法(Scheduler)

LVS的调度方法分为两类(静态算法、动态算法)，共10种

在转发方式选定的情况下，采用哪种调度算法将决定整个负载均衡的性能表现。不同的算法适用于不同的生产环境，有时可能需要针对特殊需求自行设计调度算法。

静态方法:仅根据算法本身进行调度（注重起点公平）
① rr：Round Robin 轮询或轮叫，算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的RS（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。不支持权重。
② wrr：Weighted RR 权重轮询或加权轮叫，此算法根据RS（真实）服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可保证处理能力强的服务器能处理更多的访问请求。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。
③ sh：source hashing 源地址hash，对请求的客户端IP进行hash计算，可实现session绑定，但可能会破坏负载均衡。Director在本地维护一张hash表，此表保存有每一个源IP地址及其第一次调度哪一个Server，每一条记录都有默认时长。
④ dh：destination hashing 目标地址hash，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。Director在本地维护一张散列表，此表保存有每一次请求的目标IP及其对应调度的目标服务器（RS） 。将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS服务器。使用场景多数为缓存服务器代理。

动态方法：根据算法及RS当前的负载状态（注重结果公平）
⑤ lc：Least Connection 最少连接，此算法动态地将网络请求调度到已建立的连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“算法可以较好地均衡负载。Overhead=Active*256+Inactive来实现，采用计算值最小的RS，不支持权重。
**⑥ wlc: ** Weighted LC 权重最少连接，在集群系统中服务器性能差异较大的情况下，调度器采用”加权最少连接“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。是LVS默认的调度算法。权重公式：Overhead=（Active*256+Inactive）/weight
⑦ sed：Shortest Expect Delay 最短期望延迟，wlc的改进算法，简单地说就是调度器会选择响应速度快的RS（真实）服务器，先选择权重（weight）较大的服务器计算方法：Overhead=（Active+1）*256/weight 这种方式可能会连接多个请求都发送给一台性能较强（即weight值较大）的RS，而别的RS却连一个请求都不会接收到。
⑧ nq：Nerver Queus： sed算法的改进，永不排队，每个RS至少先处理一个请求，然后再按sed算法来。
⑨ lblc：Locality-based least connection 基于局部性的最少连接，可以理解为动态的dh算法。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，则将请求发送的该服务器；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“最少连接”的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器。
⑩ lblcr：Replicated and Locality-based least connection带复制的基于的最少连接。各缓存RS各自匀一匀缓存项，及达到负载均衡）。上面说了dh不利于负载均衡，这个算法算是弥补了这个缺陷。

（四）ipvsadm命令（yum -y install ipvsadm 用户空间命令行工具）

grep -i -C 10 "ipvs" /boot/config-3.10.0-327.el7.x86_64查看ipvs支持的协议与调度方法
支持的协议：TCP UDP AH ESP AH_ESP SCTP
① 对集群的操作

首先要确定好需要使用哪种拓扑类型（NAT DR TUN）的集群

ipvsadm -A|E|D -t|u|f  director_addr:port [-s scheduler] [-p [timeout]]   #director_addr指的就是VIP
    -A:添加一个集群服务      # Add
    -E:修改一个集群服务      # Edit
    -D:删除集群服务         # Delete   示例： ipvsadm -D -t 10.1.0.5:80

    -t:tcp协议服务
    -u:udp协议服务
    -f:firewall make通常应用于将两个或以上的服务绑定为一个服务进行处理时使用，它是一个数字。
        示例：ipvsadm -A -f 11 -s wrr     
        # 这个11为通过iptables xxxx -j MARK --set-mark 11 得到.又例如将80与443打包成一块用ipvsadm进行统一调度.
 
    service-address   # 即LVS服务器的IP地址加之前选项指明的协议类型端口
        -t IP:port    # tcp协议
        -u ip:port    # udp协议
        -f firewall_mark  # 后接一个标记数字，将多个端口组织成一个集群进行统一调度
            firewall_mark示例：`iptables -t mangle -A PREROUTING -d 10.1.0.5 -p tcp -m multiport --dports 80,3306 -j MARK --set-mark 11`
            `ipvsadm -A -f 11 -s wrr` 
    -s 调度算法，这项没有声明时默认为wlc [rr wrr sh dh lc wlc sed nq lblc lblcr]
    -p: persistence     # LVS的持久连接功能，没有接数字则默认为300秒

② 对RS的操作（LVS的类型是在对RS的操作时定义的）

ipvsadm -a -t|u|f director_addr:port -r RS_addr -[g|i|m] [-w weight]  # LVS的类型在这里定义
    -a：添加RS
    -e:修改
    -d:删除
    -r: 后接 RS的ip[:port]
    -g:gateway,    DR，没有声明时默认为DR模型
    -m:masquerade, NAT模型
    -i:ipip,       TUN模型
    -w: 定义权重，仅使用在支持权重的算法上。如rr lc等不支持权重的算法加上-w选项则没有意义。

③ 查看、清空、保存、导入规则

-L|l:显示规则
    -n, --numeric: 不反解析IP地址和端口，数值格式显示主机地址和端口号
    --exact: 显示精确值
    --stats: 统计数据
    --rate: 速率
    --timeout: 显示tcp、tcpfin和udp的会话超时时长
    --sort: 显示当前的ipvs连接状况
    -c, --connection: 查看连接数
清空规则
    ipvsadm -C     # Clear
保存规则(一般都保存在/etc/sysconfig/ipvsadm)
    * ipvsadm -S 默认标准输出，可重定向至指定文件 
    * ipvsadm-save 默认标准输出，可重定向到指定文件
    * systemctl stop ipvsadm.service   # 停止时会自动保存
导入规则（2种）
    1.ipvsadm -R < /saved_file
    2.ipvsadm-restore < /saved_file

（五）LVS实际配置

5.1 配置一个NAT类型（2台RS）的集群

LVS(Thinkpad): if1=172.16.53.128/24(VIP) if2=10.1.1.77/16(DIP)
RS1(ibm1): 10.1.1.78/16(RIP1)
RS2(ibm2): 10.1.1.79/16(RIP2)
RS1与RS2主机使用同一个vmnet网卡
如下图：

Director的两个ip

ibm1的ip

ibm2的ip

分别在ibm1、ibm2上装上几个服务

同步ibm1与ibm2的时间!这个在集群服务中很重要！！下面两步即同

![1.编辑/etc/chrony.conf配置文件](https://img.haomeiwen.com/i2057465/
da3b895ab16765f0.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

2.重启chronyd服务

打开ibm1与ibm2上的配置httpd服务如下图效果

ibm1上的http主页

ibm2上的http主页

在Thinkpad主机上安装ipvsadm

将RS1 RS2的默认网关指向Director的DIP
route add default gw 10.1.1.77/16
当主机及拓扑结构及ip与各种软件都设置好的时候，LVS的设置是非常简单与快速的一件事

ipvsadm -A -t 10.1.1.77:80 -s rr          # 添加LVS集群与调度算法
ipvsadm -a -t 10.1.1.77:80 -r 10.1.1.78 -m -w 1   # 添加LVS集群主机与LVS调度模式及RS权重
ipvsadm -a -t 10.1.1.77:80 -r 10.1.1.79 -m -w 1   # 同上

[root@Thinkpad ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward   # 打开Director的转发功能

至此,一个简单的根据LVS rr算法调度的负载均衡集群完成了.

5.2 配置一个DR类型（2台RS）的集群,三台虚拟机都桥接到物理机上.

Directory: DIP: 192.168.31.101/24 调度主机只需要一个网卡接口 VIP用DIP的别名生成
RS1: 192.168.31.194/24
RS2: 192.168.31.220/24

编写以下脚本文件并分别在各RS上执行.(setparam.sh)

#!/bin/bash
#
vip=192.168.31.100
mask='255.255.255.255'
case $1 in
start)
    echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
    echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
    echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
    echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
    /sbin/ifconfig lo:0 $vip netmask $mask  broadcast $vip up
    route add -host $vip dev lo:0
    ;;
stop)
    /sbin/ifconfig lo:0  down
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
    route del -host $vip dev lo:0
    ;;
status)
    # Status of LVS-DR real server.
    islothere=`/sbin/ifconfig lo:0 | grep $vip`
    isrothere=`netstat -rn | grep "lo:0" | grep $vip`
    if [ ! "$islothere" -o ! "isrothere" ]; then
        # Either the route or the lo:0 device
        # not found.
        echo "LVS-DR real server Stopped."
    else
        echo "LVS-DR real server Running."
    fi
;;
*)
    echo "Usage $(basename $0) start|stop"
    exit 1
    ;;
esac

编写以下脚本在Director(调度器)上添加VIP 添加LVS规则等操作 (ipvs.sh)

#!/bin/bash
#
vip=192.168.31.100
iface='eno16777736:0'
mask='255.255.255.255'
port='80'
rs1='192.168.31.194'
rs2='192.168.31.220'
scheduler='wrr'
case $1 in
start)
    ifconfig $iface $vip netmask $mask broadcast $vip up
    iptables -F
    ipvsadm -A -t ${vip}:${port} -s $scheduler
    ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r $rs1 -g -w 1
    ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r $rs2 -g -w 2
    ;;
stop)
    ifvsadm -C
    ifconfig $iface down
    ;;
*)
    echo ''Usage: $(basename $0) {start|stop|status}"
    exit 1
    ;;
esac

设置结果

5.3 FWM(FireWall Mark)借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务，可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度。

示例：

iptables -t mangle -A PREROUTING -d 10.1.0.5 -p tcp -m multiport --dports 80,443 -j MARK --set-mark 11
ipvsadm -A -f 11 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.31.100 -r 192.168.31.194 -g -w 1
ipvsadm -a -t 192.168.31.100 -r 192.168.31.220 -g -w 1

5.4 LVS的持久连接机制 persiistence 这个功能与FWM结合可实现端口姻亲关系

LVS基于其的持久连接模板，实现无论使用任何算法，在一段时间内，实现将来自同一个地址的请求始终发往同一个RS。不同于sh算法在于其是可自定义的且没有超时时长。

ipvsadm -A -t 10.1.0.5:80 -s rr -p 60     # 持久连接定义成60秒，在这个时间之后 rr算法才会生效
ipvsadm -a -t 10.1.0.5:80 -r 10.1.0.7 -g -w 1
ipvsadm -a -t 10.1.0.5:80 -r 10.1.0.8 -g -w 1

port Affinity：端口姻亲关系
每端口持久：每集群服务单独定义，并定义其持久性
每防火墙标记持久：基于防火墙标记定义持久的集群服务，可实现将多个端口上的应用统一调度，即所谓的port Affinity
每客户端持久

LVS概念、类型、调度方法、命令操作与实际配置

（一）LVS概念

（二）LVS集群的类型

2.1 LVS-NAT(Network Address Translation)实测可调度10台以内的RS

2.2 LVS/DR(Direct Routing直接路由) 实测可以调度7、8十台RS

2.3 LVS/TUN

2.4 LVS/FULLNAT (LVS默认不支持此类型)

（三）LVS调度方法(Scheduler)

LVS的调度方法分为两类(静态算法、动态算法)，共10种

（四）ipvsadm命令（yum -y install ipvsadm 用户空间命令行工具）

（五）LVS实际配置

5.1 配置一个NAT类型（2台RS）的集群

5.2 配置一个DR类型（2台RS）的集群,三台虚拟机都桥接到物理机上.

5.3 FWM(FireWall Mark)借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务，可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度。

5.4 LVS的持久连接机制 persiistence 这个功能与FWM结合可实现端口姻亲关系

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