一、lvs简介
LVS是 Linux Virtual Server 的简称，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。这是一个由章文嵩博士发起的，是中国国内最早出现的自由软件开源项目之一，现在 LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分。使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。
在已有的IP负载均衡技术中，主要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)。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上，我们提出了通过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。VS/NAT、VS/TUN和VS/DR技术是LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术。
二、lvs组成
1. 安装包
[root@mumu 7-1 ~]# yum -y install ipvsadm
2. 组成
LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。
2.1 ipvs(ip virtual server)
工作在内核空间，是真正生效实现调度的代码。
2.2 ipvsadm
工作在用户空间，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)。
三、lvs工具的简单使用
1、管理集群服务
添加一条新的虚拟服务
ipvsadm -A -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [--pe persistence_engine] [-b sched-flags] -A：添加一条新的虚拟服务 -t：TCP协议的端口，VIP：TCP_POPT -u：UDP协议的端口，UIP：UCP_POP -f：FWM: 防火墙标记；firewall MARK，是一个数字 -p：timeout 指定持久连接时长，默认为360秒，单位是秒，即6分钟 -M：定义Mac地址 --pe：定义持久化引擎 -b：定义进程调度标记 service-address：某集群服务的IP地址 -s：指定集群的调度算法，如:rr, wrr, lc等，默认为wlc
删除一条虚拟服务
ipvsadm -D -t|u|f service-address -D：删除一条虚拟服务
修改一条虚拟服务
ipvsadm -E -t|u|f service-address -E：修改一条虚拟服务
2、管理集群服务中的RS
在一个虚拟服务中添加一个新的真实服务器
ipvsadm -a -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight] -t|u|f service-address：事先定义好的某类型集群服务 -r server-address: 定义某RS的地址，在NAT模型中，可使用IP：PORT实现端口映射； [-g|i|m]: LVS类型 -g: gateway, dr类型 -i: ipip, tun类型 -m: masquerade, nat类型 [-w weight]: 定义服务器权重
删除某个真实服务器
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address -d：删除某个真实服务器，即RS
修改某个真实服务器
ipvsadm -e -t|u|f service-address -r server-address -e：修改某个真实服务器，即RS
查看某个真实服务器
ipvsadm -L|l -t|u|f service-address -r server-address -L|l ：查看某个真实服务器，即RS
-n: 数字格式显示主机地址和端口 --stats：统计数据 --rate: 速率 --timeout: 显示tcp、tcpfin和udp的会话超时时长 -c: 显示当前的ipvs连接状况
3、管理ipvs规则
ipvsadm -S|R > 文件路径 -C：清除所有的集群服务规则 -S = ipvsadm-save：保存之前所定义的集群服务规则 -R = ipvsadm-restore：重载此前所定义的集群服务规则 文件路径：指定的保存或重载的文件路径
ipvsadm -C：清除所有的集群服务规则
ipvsadm -Z -t|u|f service-address -Z：将当前定义的所有集群服务清零
4、查看统计
查看当前配置的虚拟服务和各个RS的权重
ipvsadm -Ln
查看当前ipvs模块中记录的连接（可用于观察转发情况）
ipvsadm -lnc
查看ipvs模块的转发情况统计
ipvsadm -Ln --stats | --rate
四、lvs的三种工作模式
1、NAT 模式-网络地址转换
1. 模式流程图
2、NAT模式原理
（1）当客户端发送请求报文请求到达Director Server，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）内核空间中的PREROUTING链会检查数据包的目标IP是否是本机IP，若是，将数据包送至INPUT链
（3）判断IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，调度器会把数据包的目标IP地址修改为后端真实服务器的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 （此RIP地址是根据调度算法得出的）
（4）POSTROUTING链根据调度算法决定将数据包发送给后端的真实服务器（Real Server）
（5）Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
（6）Director Server在响应客户端前，此时会将包的源IP地址修改为自己的虚拟地址（VIP），然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP
（7）响应报文最终送达至客户端
3、特点
（1）RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP；
（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发；Director易于成为系统瓶颈；
（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT；
（4）vs必须是Linux系统，rs可以是任意系统；
4、优缺点
4.1 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。
4.2 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！
2、DR模式-封装新的MAC地址
1. 模式流程图
2、DR模式原理
（1）当客户端发送请求报文请求请求到达Director Server，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）内核空间中的PREROUTING链会检查数据包的目标IP是否是本机IP，若是，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，此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
（4）因为DR模式是通过MAC地址改写机制实现转发，因此所有RS节点和调度器LB只能在一个局域网里面，也可以简单的理解为在同一台交换机上，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Real Server
（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
3、特点
（1）确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director
（2）RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director；
（3）RS跟Director要在同一个物理网络；
（4） 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director，而是由RS直接发往Client；
（5）不支持端口映射；
4、优缺点
4.1 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。
4.2 缺点
要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上。
3、Tun模式-IP Tunnel封装
1. 模式流程图
2、TUN模式原理
（1）当用户请求到达Director Server，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是否是本机IP，若是，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，在请求报文的首部进行IP Tunnel封装，即在原有的包头加上IP Tunnel的包头，然后发送出去，封装源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 Tunnel包头信息后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标IP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，不需要经过负载均衡器。 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
3、特点
（1）DIP, VIP, RIP都应该是公网地址；
（2）RS的网关不能，也不可能指向DIP；
（3）请求报文要经由Director，但响应不能经由Director；
（4）不支持端口映射；
（5）RS的OS得支持隧道功能；
4、优缺点
4.1 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。
4.2 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。
五、lvs的调度算法
1、算法分类
Lvs的调度算法决定了如何在集群节点之间分布工作负荷。当director调度器收到来自客户端访问VIP的上的集群服务的入站请求时，director调度器必须决定哪个集群节点应该处理请求。Director调度器用的调度方法基本分为两类：
固定调度算法：rr，wrr，dh，sh
动态调度算法：wlc，lc，lblc，lblcr，sed，nq
2、算法介绍
1. 轮叫调度算法 rr（Round Robin）
就是将请求按顺序调度到不同的 RS 上，即是将请求在 RS 中均摊分配，该算法是这些调度算法中最简单的。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，不管后端 RS 配置和处理能力，非常均衡地分发下去，但只适合于 RS 处理性能差不多的情况。
2. 加权轮询调度算法 wrr（weight Round Robin，加权轮询，以权重之间的比例实现在各主机之间进行调度）
wrr算法是对rr算法的一种优化和补充，因此，wrr算法比rr算法多了一个权重的概念。lvs根据每台服务器的性能，判断给每台服务器要添加的权值，依据这个权值给不同服务器分配任务。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2倍。权值越高的服务器，将优先获得任务，但处理的请求也越多，并且分配到的连接数将比权值低的服务器更多，权重的取值范围 0 – 100，相同权值的 RS 得到相同数目的连接数。
3. 最小连接数调度算法 lc（Least-Connection）
这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1
4. 加权最小连接数调度算法 wlc（Weighted Least-Connection Scheduling）
wlc是lc的升级版，多了对权重的计算这一步。lvs获得权值后，LB会比较将连接请求发送到当前连接最少的RS。
5. 基于地址的最少连接调度算法 lblc（Locality-Based Least Connection）
这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，这个算法会先根据请求的目标IP地址，寻找该IP地址最近所使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则就将这个请求分配给连接数最小的服务器，并以它作为下一次分配的首先考虑。
6. 复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr（Locality-Based Least Connections withReplication）
记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录，它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。
7. 目标地址哈希调度算法 dh（Destination hashing：目标地址散列。把同一个IP地址的请求，发送给同一个server。）
该算法是根据目标 IP 地址为关键字通过散列函数查找一个静态hash表，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. 源地址哈希调度算法 sh（source hashing,源地址散列。主要实现会话绑定，能够将此前建立的session信息保留了）
与目标地址散列调度算法类似，但它是根据源地址为关键字通过散列函数查找一个静态hash表，发往该目标 IP 的请求会静态分配给固定的服务器。
9. 最短延迟调度算法 sed（Shortest Expected Delay）
是wlc的进一步改进，为了解决当权限过大时，会导致空闲服务器一直处于无连接状态的问题，计算方式：Overhead=（Active+1）*256/加权，不再考虑非活动状态，把当前处于活动状态的数目加一来实现，数目最小的接受下次请求，而+1的目的是为了考虑加权的时候，非活动链接过多。
10. 永不排队/最少对了调度算法 nq（Never Queue Scheduling）
是sed的进一步升级，如果有台RS的连接数等于零就直接分配过去，不需要再进行sed运算，保证不会有任何一个主机空闲。如果RS的连接数不等于零，在sed基础上，无论计算结果如何，第二次客户请求一定会给下一个RS，保证不会有一个RS空闲。
3、算法的生产环境选型
（1）一般的网络服务，如http，mail，mysql等常用的LVS调度算法为：
a. 基本轮询调度rr
b. 加权最小连接调度wlc
c. 加权轮询调度wrc
（2）基于局部性的最小连接lblc和带复制的给予局部性最小连接lblcr主要适用于web cache和DB cache。
（3）源地址散列调度SH和目标地址散列调度DH可以结合使用在防火墙集群中，可以保证整个系统的出入口唯一。实际适用中这些算法的适用范围很多，工作中最好参考内核中的连接调度算法的实现原理，然后根据具体的业务需求合理的选型。
六、lvs的持久性连接
对于电子商务网站来说，用户在挑选商品的时候使用的是80端口来浏览的，当付款的时候则是通过443的ssl加密的方式，当然当用户挑选完商品付款的时候，我们当然不希望https的443跳转到另外一台REAL SERVER上，很显然应该是同一REAL SERVER才对，这时候就要用到基于防火墙标记的持久连接，通过定义端口的姻亲关系来实现。在生产环境中用的最多的也是PNMP即基于防火墙标记的持久连接，好了引子就说到这下面我们就来详细说说LVS的持久连接；
1、PPC（Persistent Port Connections）
将来自于同一个客户端对同一个集群服务的请求，始终定向至此前选定的RS；（持久端口连接）
例如：client---->LVS(80)---->RS1 或 client---->LVS(23)---->RS2
缺陷：期望访问不同的端口到同一台RS上，无法实现。
配置：
ipvsadm -A -t 172.16.100.1:80 -s rr -p 3600 ipvsadm -a -t 172.16.100.1:80 -r 172.16.100.10 -g -w 2 ipvsadm -a -t 172.16.100.1:80 -r 172.16.100.11 -g -w 2
2、PCC（Persistent Client Connections）
将来自于同一个客户端对所有端口的请求，始终定向至此前选定的RS；（持久客户端连接）
说明：PCC是一个虚拟服务没有端口号（或者端口号为0），以"-p" 来标识服务。
缺陷：定向所有服务，期望访问不同的Real Server无法实现。
配置：
ipvsadm -A -t 172.16.100.1:0 -s rr -p 3600 ipvsadm -a -t 172.16.100.1:0 -r 172.16.100.10 -g -w 2 ipvsadm -a -t 172.16.100.1:0 -r 172.16.100.11 -g -w 2
3、PNMPP（Persistent Netfilter Marked Packet Persistence）
持久防火墙标记连接，根据iptables 的规则，将对于某类服务几个不同端口的访问定义为一类；先对某一特定类型的数据包打上标记，然后再将基于某一类标记的服务送到后台的 Real Server上去，后台的Real Server 并不识别这些标记。将持久和防火墙标记结合起来就能够实现端口姻亲功能，只要是来自某一客户端的对某一特定服务（需要不同的端口）的访问都定义到同一台 Real Server上去。
案例：一个用户在访问购物网站时同时使用HTTP（80）和HTTPS（443）两种协议，我们需要将其定义到同一台Real Server上，而其他的服务不受限制。
配置：
iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.100.1 -i eth0 -p tcp --dport 80 -j MARK --set-mark 8 iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.100.1 -i eth0 -p tcp --dport 443 -j MARK --set-mark 8 ipvsadm -A -f 8 -s rr -p 600 ipvsadm -a -f 8 -r 172.16.100.10 -g -w 2 ipvsadm -a -f 8 -r 172.16.100.11 -g -w 1