lvs+keepalived原理

LVS工作原理

负载调度器(Load Balancer),是整个集群堆外面的前端机,负责将客户的请求发送到一组服务器上执行,而客户任务服务是来自一个IP地址(虚拟IP)是的。
服务器组(Server Arrary),是一组真正执行客户请求的服务器(RealServer),可执行的服务有Web、Mail、Ftp等。
共享存储(Share Storage),它为服务器组提供一个共享的存储区,这样很容易使得服务器组拥有相同的内容,提供相同的服务。

LVS特点：

通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器群集，它具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的服务性能。

LVS的主要特点有以下几个方面：

高并发连接：LVS基于内核网络层面工作，有超强的承载能力和并发处理能力。单台LVS负载均衡器，可支持上万并发连接。稳定性强：是工作在网络4层之上仅作分发之用，这个特点也决定了它在负载均衡软件里的性能最强，稳定性最好，对内存和cpu资源消耗极低。
成本低廉：硬件负载均衡器少则十几万，多则几十万上百万，LVS只需一台服务器和就能免费部署使用，性价比极高。
配置简单：LVS配置非常简单，仅需几行命令即可完成配置，也可写成脚本进行管理。
支持多种算法：支持多种论调算法，可根据业务场景灵活调配进行使用
支持多种工作模型：可根据业务场景，使用不同的工作模式来解决生产环境请求处理问题。
应用范围广：因为LVS工作在4层，所以它几乎可以对所有应用做负载均衡，包括http、数据库、DNS、ftp服务等等
缺点：工作在4层，不支持7层规则修改，机制过于庞大，不适合小规模应用。
软件本身不支持正则处理,不能做动静分离

1）IP负载均衡与负载调度算法

IP负载均衡技术
负载均衡技术有很多实现方案，有基于DNS域名轮流解析的方法、有基于客户端调度访问的方法、有基于应用层系统负载的调度方法，还有基于IP地址的调度方法，在这些负载调度
算法中，执行效率最高的是IP负载均衡技术。
LVS的IP负载均衡技术是通过IPVS模块来实现的，IPVS是LVS集群系统的核心软件，它的主要作用是：安装在Director Server上，同时在Director Server上虚拟出一个IP地址，用户
必须通过这个虚拟的IP地址访问服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP，即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达负载调度器，然后由负载调度器从Real Server列表中选取一个服
务节点响应用户的请求。
当用户的请求到达负载调度器后，调度器如何将请求发送到提供服务的Real Server节点，而Real Server节点如何返回数据给用户，是IPVS实现的重点技术，IPVS实现负载均衡机制
有三种，分别是NAT、TUN和DR、fullnat

VS/NAT(Virtual Server via Network Address Translation,网络地址翻转技术实现虚拟服务器),当请求到来时,Director Server上处理的程序将数据报文中的目标地址(VIP)改成具体的某台Real Server,端口也改成Real Server的端口,然后把报文发给Real Server。Real Server处理完数据后,需要返回给Director Server,然后Director Server将数据包中的源地址和源端口改成VIP的地址和端口,最后把数据发送出去。由此可以看出,用户的请求和返回都要经过Director Server,如果数据过多,则Director Server 将不堪负重。

VS/TUN(Virtual Server via IP Tunneling,IP隧道技术实现虚拟服务器) ,它跟VS/NAT基本一样,但Real Server是直接返回数据给客户端,不需要经过Director Server,这样大大降低了Director Server的压力。

VS/DR(Virtual Server via Direct Routing,直接路由技术实现虚拟服务器),它通过改写请求报文的MAC地址,将请求发送到Real Server,而Real Server 将相应直接返回给客户,免去了VS/TUN中的IP隧道开销。这种是以上三种模式中性能最高最好的,但必须要求Director Server与Real Server都有一块网卡连接在同一物理网段上。

三种工作模式的优缺点:
vs/NAT
优点:集群的物理服务器可以使用任何支持TCP/IP操作系统,物理服务器可以分配Internte的保留私有地址,只有Director Server需要一个合法的IP地址。
缺点:扩展性不足。当服Real Server增长到>=20台时间,Director Server将成为整个系统的瓶颈,因为所有的请求包和应答包都需要经过Director Server。

VS/TUN
优点:Director Server只负责将请求包分发给物理服务器,而物理服务器将应该报直接发给用户,所以Director Server处理巨大的请求包,这种模式一台Director Server能为超过100台的服务器服务器服务,Director Server基本不成为系统的瓶颈。 非常适合Internet(如Web,Webservice等)负载,因为一般它们的请求包很小,但应答包比较大。
缺点:这种方式需要所有服务器支持IP Tunneling(IP Encapsulation)协议。

VS/DR
优点:和VS/TUN一样,Director Server只负责分发请求, 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不要隧道支持,因为可以使用大多数的操作系统作为物理服务器。
缺点:要求Director Server网卡必须与物理网卡在一个物理段上。

LVS的调度算法

LVS的调度算法分为静态与动态两类。

1.静态算法（4种）：只根据算法进行调度 而不考虑后端服务器的实际连接情况和负载情况

①.RR：轮叫调度（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｡

②.WRR：加权轮叫（Weight RR）
　 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。

③.DH：目标地址散列调度（Destination Hash ）
　 根据请求的目标IP地址，作为散列键(HashKey)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。

④.SH：源地址 hash（Source Hash）
　 源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键(HashKey)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｡

2.动态算法（6种）：前端的调度器会根据后端真实服务器的实际连接情况来分配请求

①.LC：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。

②.WLC：加权最少连接(默认采用的就是这种)（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。

③.SED：最短延迟调度（Shortest Expected Delay ）
　 在WLC基础上改进，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+1来实现，数目最小的，接受下次请求，+1的目的是为了考虑加权的时候，非活动连接过多缺陷：当权限过大的时候，会倒置空闲服务器一直处于无连接状态。

④.NQ永不排队/最少队列调度（Never Queue Scheduling NQ）
　 无需队列。如果有台 realserver的连接数＝0就直接分配过去，不需要再进行sed运算，保证不会有一个主机很空间。在SED基础上无论+几，第二次一定给下一个，保证不会有一个主机不会很空闲着，不考虑非活动连接，才用NQ，SED要考虑活动状态连接，对于DNS的UDP不需要考虑非活动连接，而httpd的处于保持状态的服务就需要考虑非活动连接给服务器的压力。

⑤.LBLC：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｡

⑥. LBLCR：带复制的基于局部性最少连接（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。

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健康检查和失败切换是keepalived的两大核心功能。所谓的健康检查，就是采用tcp三次握手，icmp请求，http请求，udp echo请求等方式对负载均衡器后面的实际的服务器(通常是承载真实业务的服务器)进行保活；而失败切换主要是应用于配置了主备模式的负载均衡器，利用VRRP维持主备负载均衡器的心跳，当主负载均衡器出现问题时，由备负载均衡器承载对应的业务，从而在最大限度上减少流量损失，并提供服务的稳定性。

keepalived工作原理

keepalived主要有三个模块，分别是core、check和vrrp。core模块为keepalived的核心，负责主进程的启动、维护以及全局配置文件的加载和解析。check负责健康检查，包括常见的各种检查方式。vrrp模块是来实现VRRP协议的。

Keepalived对服务器运行状态和故障隔离的工作原理：
Keepalived起初是为LVS设计的，专门用来监控集群系统中各个服务节点的状态，工作在TCP/IP参考模型的三层、四层、五层（物理层，链路层）：
网络层（3）：Keepalived通过ICMP协议向服务器集群中的每一个节点发送一个ICMP数据包(有点类似与Ping的功能)，如果某个节点没有返回响应数据包，那么认为该节点发生了故障，Keepalived将报告这个节点失效，并从服务器集群中剔除故障节点。

传输层（4）：Keepalived在传输层里利用了TCP协议的端口连接和扫描技术来判断集群节点的端口是否正常，比如对于常见的WEB服务器80端口。或者SSH服务22端口，Keepalived一旦在传输层探测到这些端口号没有数据响应和数据返回，就认为这些端口发生异常，然后强制将这些端口所对应的节点从服务器集群中剔除掉。

应用层（5）：，Keepalived的运行方式也更加全面化和复杂化，用户可以通过自定义Keepalived工作方式，例如：可以通过编写程序或者脚本来运行Keepalived，而Keepalived将根据用户的设定参数检测各种程序或者服务是否允许正常，如果Keepalived的检测结果和用户设定的不一致时，Keepalived将把对应的服务器从服务器集群中剔除。

后来Keepalived又加入了VRRP的功能，VRRP（VritrualRouterRedundancyProtocol,虚拟路由冗余协议)

虚拟路由冗余协议，可以认为是实现路由器高可用的协议，即将N台提供相同功能的路由器组成一个路由器组，这个组里面有一个master和多个backup，master上面有一个对外提供服务的vip（该路由器所在局域网内其他机器的默认路由为该vip），master会发组播，当backup收不到vrrp包时就认为master宕掉了，这时就需要根据VRRP的优先级来选举一个backup当master。这样的话就可以保证路由器的高可用了。

VRRP使用选举机制来确定路由器的状态，优先级选举：
1.VRRP组中IP拥有者。如果虚拟IP地址与VRRP组中的某台VRRP路由器IP地址相同，则此路由器为IP地址拥有者，这台路由器将被定位主路由器。
2.比较优先级。如果没有IP地址拥有者，则比较路由器的优先级，优先级的范围是0~255，优先级大的作为主路由器
3.比较IP地址。在没有Ip地址拥有者和优先级相同的情况下，IP地址大的作为主路由器。

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