高并发负载均衡 | LVS负载均衡

LVS基本介绍

LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。

LVS集群采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且调度器自动屏蔽掉服务器的故障，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。整个服务器集群的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。

LVS的工作原理

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LVS的负载均衡技术

VS/NAT(Virtual Server via Network Address Translation)，即网络地址翻转技术实现虚拟服务器。

当请求来到时，Diretor server上处理的程序将数据报文中的目标地址（即虚拟IP地址）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Diretor Server，然后Diretor 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Diretor Server，如果数据过多，Diretor Server肯定会不堪重负。

NAT网络地址翻转技术2.jpg

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• 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。
• 缺点：扩展性差。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处，导致负载均衡器变慢以至于整个链路变慢。

VS/DR（Virtual Server via Direct Routing），即用直接路由技术实现虚拟服务器。

VS/DR的报文转发方法有所不同，VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给客户，免去了VS/TUN中的IP隧道开销。这种方式是三种负载调度机制中性能最高最好的，但是必须要求Director Server与Real Server都有一块网卡连在同一物理网段上。

DR直接路由技术2.jpg

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• 优点：负载均衡器只是分发请求，应答包通过单独的路由方法返回给客户端。
• 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。

VS/TUN（Virtual Server via IP Tunneling）,即IP隧道技术实现虚拟服务器。

IP隧道（IP tunneling）是将一个IP报文封装在另一个IP报文的技术，这可以使得目标为一个IP地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP地址。IP隧道技术亦称为IP封装技术（IP encapsulation）。它跟VS/NAT基本一样，但是Real server是直接返回数据给客户端，不需要经过Diretor server,这大大降低了Diretor server的压力。

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• 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，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。
• 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。

LVS调度算法

LVS集群的负载调度主要是由工作在内核当中的IPVS IP负载均衡软件负责进行调度的，IPVS在内核中的负载均衡调度是以连接为粒度的,在内核中的连接调度算法上，IPVS已实现了以下八种调度算法。

固定调度算法：rr，wrr，dh，sh
动态调度算法：wlc，lc，lblc，lblcr
固定调度算法：即调度器不会去判断后端服务器的繁忙与否，一如既往得将请求派发下去。
动态调度算法：调度器会去判断后端服务器的繁忙程度，然后依据调度算法动态得派发请求。

1.轮叫调度（Round-Robin Scheduling）

这种算法就是以轮叫的方式依次将请求调度不同的服务器，算法的优点是其简洁性，它无需记录当前所有连接的状态，所以它是一种无状态调度。轮叫调度算法假设所有服务器处理性能均相同，不管服务器的当前连接数和响应速度。该算法相对简单，不适用于服务器组中处理性能不一的情况，而且当请求服务时间变化比较大时，轮叫调度算法容易导致服务器间的负载不平衡。

2.加权轮叫调度（Weighted Round-Robin Scheduling）

这种算法可以解决服务器间性能不一的情况，它用相应的权值表示服务器的处理性能，服务器的缺省权值为1。假设服务器A的权值为1，B的 权值为2，则表示服务器B的处理性能是A的两倍。加权轮叫调度算法是按权值的高低和轮叫方式分配请求到各服务器。权值高的服务器先收到的连接，权值高的服 务器比权值低的服务器处理更多的连接，相同权值的服务器处理相同数目的连接数。

3.目标地址散列调度（Destination Hashing Scheduling）

此算法先根据请求的目标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。

4.源地址散列调度（Source Hashing Scheduling）

此算法根据请求的源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。它采用的散列函数与目标地址散列调度算法 的相同。它的算法流程与目标地址散列调度算法的基本相似。

5.加权最小连接调度（Weighted Least-Connection Scheduling）

这种算法是最小连接调度的超集，各个服务器用相应的权值表示其处理性能。服务器的缺省权值为1，系统管理员可以动态地设置服务器的权 值。加权最小连接调度在调度新连接时尽可能使服务器的已建立连接数和其权值成比例。

6.最小连接调度（Least-Connection Scheduling）

这种算法是把新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器。最小连接调度是一种动态调度算法，它通过服务器当前所活跃的连接数来估计服务 器的负载情况。调度器需要记录各个服务器已建立连接的数目，当一个请求被调度到某台服务器，其连接数加1；当连接中止或超时，其连接数减一。当各个服务器有相同的处理性能时，最小连接调度算法能把负载变化大的请求分布平滑到各个服务器上，所有处理时间比较长的请求不可能被发送到同一台服 务器上。但是，当各个服务器的处理能力不同时，该算法并不理想，因为TCP连接处理请求后会进入TIME_WAIT状态，TCP的TIME_WAIT一般 为2分钟，此时连接还占用服务器的资源，所以会出现这样情形，性能高的服务器已处理所收到的连接，连接处于TIME_WAIT状态，而性能低的服务器已经 忙于处理所收到的连接，还不断地收到新的连接请求。

7.基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections Scheduling）

这种算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器，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，否则会继续选择其它可行的服务器

8.带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication Scheduling）

这种算法先根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组；按“最小连接”原则从该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”原则从整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。