如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置

這期內(nèi)容當中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

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負載均衡集群是 load balance 集群的簡寫，翻譯成中文就是負載均衡集群。常用的負載均衡開源軟件有nginx、lvs、haproxy，商業(yè)的硬件負載均衡設(shè)備F5、Netscale。這里主要是學(xué)習(xí) LVS 并對其進行了詳細的總結(jié)記錄。

一、負載均衡LVS基本介紹

LB集群的架構(gòu)和原理很簡單，就是當用戶的請求過來時，會直接分發(fā)到Director Server上，然后它把用戶的請求根據(jù)設(shè)置好的調(diào)度算法，智能均衡地分發(fā)到后端真正服務(wù)器(real server)上。為了避免不同機器上用戶請求得到的數(shù)據(jù)不一樣，需要用到了共享存儲，這樣保證所有用戶請求的數(shù)據(jù)是一樣的。

LVS是 Linux Virtual Server 的簡稱，也就是Linux虛擬服務(wù)器。這是一個由章文嵩博士發(fā)起的一個開源項目，它的官方網(wǎng)站是http://www.linuxvirtualserver.org 現(xiàn)在 LVS 已經(jīng)是 Linux 內(nèi)核標準的一部分。使用 LVS 可以達到的技術(shù)目標是：通過 LVS 達到的負載均衡技術(shù)和 Linux 操作系統(tǒng)實現(xiàn)一個高性能高可用的 Linux 服務(wù)器集群，它具有良好的可靠性、可擴展性和可操作性。從而以低廉的成本實現(xiàn)最優(yōu)的性能。LVS 是一個實現(xiàn)負載均衡集群的開源軟件項目，LVS架構(gòu)從邏輯上可分為調(diào)度層、Server集群層和共享存儲。

二、LVS的基本工作原理

過程說明：

1.當用戶向負載均衡調(diào)度器（Director Server）發(fā)起請求，調(diào)度器將請求發(fā)往至內(nèi)核空間
2.PREROUTING鏈首先會接收到用戶請求，判斷目標IP確定是本機IP，將數(shù)據(jù)包發(fā)往INPUT鏈
3.IPVS是工作在INPUT鏈上的，當用戶請求到達INPUT時，IPVS會將用戶請求和自己已定義好的集群服務(wù)進行比對，如果用戶請求的就是定義的集群服務(wù)，那么此時IPVS會強行修改數(shù)據(jù)包里的目標IP地址及端口，并將新的數(shù)據(jù)包發(fā)往POSTROUTING鏈
4.POSTROUTING鏈接收數(shù)據(jù)包后發(fā)現(xiàn)目標IP地址剛好是自己的后端服務(wù)器，那么此時通過選路，將數(shù)據(jù)包最終發(fā)送給后端的服務(wù)器

三、LVS的組成

LVS 由2部分程序組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. ipvs(ip virtual server)：一段代碼工作在內(nèi)核空間，叫ipvs，是真正生效實現(xiàn)調(diào)度的代碼。
2. ipvsadm：另外一段是工作在用戶空間，叫ipvsadm，負責(zé)為ipvs內(nèi)核框架編寫規(guī)則，定義誰是集群服務(wù)，而誰是后端真實的服務(wù)器(Real Server)

四、LVS相關(guān)術(shù)語

1. DS：Director Server。指的是前端負載均衡器節(jié)點。
2. RS：Real Server。后端真實的工作服務(wù)器。
3. VIP：向外部直接面向用戶請求，作為用戶請求的目標的IP地址。
4. DIP：Director Server IP，主要用于和內(nèi)部主機通訊的IP地址。
5. RIP：Real Server IP，后端服務(wù)器的IP地址。
6. CIP：Client IP，訪問客戶端的IP地址。

下邊是三種工作模式的原理和特點總結(jié)。

五、LVS/NAT原理和特點

1.重點理解NAT方式的實現(xiàn)原理和數(shù)據(jù)包的改變。

如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置

過程說明：

(a). 當用戶請求到達Director Server，此時請求的數(shù)據(jù)報文會先到內(nèi)核空間的PREROUTING鏈。此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP
(b). PREROUTING檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目標IP是本機，將數(shù)據(jù)包送至INPUT鏈
(c). IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，修改數(shù)據(jù)包的目標IP地址為后端服務(wù)器IP，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)至POSTROUTING鏈。此時報文的源IP為CIP，目標IP為RIP
(d). POSTROUTING鏈通過選路，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Real Server
(e). Real Server比對發(fā)現(xiàn)目標為自己的IP，開始構(gòu)建響應(yīng)報文發(fā)回給Director Server。此時報文的源IP為RIP，目標IP為CIP
(f). Director Server在響應(yīng)客戶端前，此時會將源IP地址修改為自己的VIP地址，然后響應(yīng)給客戶端。此時報文的源IP為VIP，目標IP為CIP

2. LVS-NAT模型的特性

（1）RS應(yīng)該使用私有地址，RS的網(wǎng)關(guān)必須指向DIP

（2）DIP和RIP必須在同一個網(wǎng)段內(nèi)

（3）請求和響應(yīng)報文都需要經(jīng)過Director Server，高負載場景中，Director Server易成為性能瓶頸

（4）支持端口映射

（5）RS可以使用任意操作系統(tǒng)

缺陷：對Director Server壓力會比較大，請求和響應(yīng)都需經(jīng)過director server

六、LVS/DR原理和特點

1.重將請求報文的目標MAC地址設(shè)定為挑選出的RS的MAC地址

如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置

過程說明：

(a)當用戶請求到達Director Server，此時請求的數(shù)據(jù)報文會先到內(nèi)核空間的PREROUTING鏈。此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP
(b)PREROUTING檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目標IP是本機，將數(shù)據(jù)包送至INPUT鏈
(c)IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，將請求報文中的源MAC地址修改為DIP的MAC地址，將目標MAC地址修改RIP的MAC地址，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)至POSTROUTING鏈。此時的源IP和目的IP均未修改，僅修改了源MAC地址為DIP的MAC地址，目標MAC地址為RIP的MAC地址
(d)由于DS和RS在同一個網(wǎng)絡(luò)中，所以是通過二層來傳輸。POSTROUTING鏈檢查目標MAC地址為RIP的MAC地址，那么此時數(shù)據(jù)包將會發(fā)至Real Server。
(e)RS發(fā)現(xiàn)請求報文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此報文。處理完成之后，將響應(yīng)報文通過lo接口傳送給eth0網(wǎng)卡然后向外發(fā)出。此時的源IP地址為VIP，目標IP為CIP
(f)響應(yīng)報文最終送達至客戶端

2. LVS-DR模型的特性

特點1：保證前端路由將目標地址為VIP報文統(tǒng)統(tǒng)發(fā)給Director Server，而不是RS

（2）RS可以使用私有地址；也可以是公網(wǎng)地址，如果使用公網(wǎng)地址，此時可以通過互聯(lián)網(wǎng)對RIP進行直接訪問

（3）RS跟Director Server必須在同一個物理網(wǎng)絡(luò)中

（4）所有的請求報文經(jīng)由Director Server，但響應(yīng)報文必須不能進過Director Server

（5）不支持地址轉(zhuǎn)換，也不支持端口映射

（6）RS可以是大多數(shù)常見的操作系統(tǒng)

（7）RS的網(wǎng)關(guān)絕不允許指向DIP(因為我們不允許他經(jīng)過director)

（8）RS上的lo接口配置VIP的IP地址

缺陷：RS和DS必須在同一機房中

3.特點1的解決方案：

在前端路由器做靜態(tài)地址路由綁定，將對于VIP的地址僅路由到Director Server

存在問題：用戶未必有路由操作權(quán)限，因為有可能是運營商提供的，所以這個方法未必實用

arptables：在arp的層次上實現(xiàn)在ARP解析時做防火墻規(guī)則，過濾RS響應(yīng)ARP請求。這是由iptables提供的

修改RS上內(nèi)核參數(shù)（arp_ignore和arp_announce）將RS上的VIP配置在lo接口的別名上，并限制其不能響應(yīng)對VIP地址解析請求。

七、LVS/Tun原理和特點

在原有的IP報文外再次封裝多一層IP首部，內(nèi)部IP首部(源地址為CIP，目標IP為VIP)，外層IP首部(源地址為DIP，目標IP為RIP)

如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置

過程說明：

(a)當用戶請求到達Director Server，此時請求的數(shù)據(jù)報文會先到內(nèi)核空間的PREROUTING鏈。此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP 。
(b)PREROUTING檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目標IP是本機，將數(shù)據(jù)包送至INPUT鏈
(c)IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，在請求報文的首部再次封裝一層IP報文，封裝源IP為為DIP，目標IP為RIP。然后發(fā)至POSTROUTING鏈。此時源IP為DIP，目標IP為RIP
(d)POSTROUTING鏈根據(jù)最新封裝的IP報文，將數(shù)據(jù)包發(fā)至RS（因為在外層封裝多了一層IP首部，所以可以理解為此時通過隧道傳輸）。此時源IP為DIP，目標IP為RIP
(e)RS接收到報文后發(fā)現(xiàn)是自己的IP地址，就將報文接收下來，拆除掉最外層的IP后，會發(fā)現(xiàn)里面還有一層IP首部，而且目標是自己的lo接口VIP，那么此時RS開始處理此請求，處理完成之后，通過lo接口送給eth0網(wǎng)卡，然后向外傳遞。此時的源IP地址為VIP，目標IP為CIP
(f)響應(yīng)報文最終送達至客戶端

1、LVS-Tun模型特性

（1）RIP、VIP、DIP全是公網(wǎng)地址

（2）RS的網(wǎng)關(guān)不會也不可能指向DIP

（3）所有的請求報文經(jīng)由Director Server，但響應(yīng)報文必須不能進過Director Server

（4）不支持端口映射

（5）RS的系統(tǒng)必須支持隧道

其實企業(yè)中最常用的是 DR 實現(xiàn)方式，而 NAT 配置上比較簡單和方便，后邊實踐中會總結(jié) DR 和 NAT 具體使用配置過程。

八、LVS的八種調(diào)度算法

1.輪叫調(diào)度 rr
這種算法是最簡單的，就是按依次循環(huán)的方式將請求調(diào)度到不同的服務(wù)器上，該算法最大的特點就是簡單。輪詢算法假設(shè)所有的服務(wù)器處理請求的能力都是一樣的，調(diào)度器會將所有的請求平均分配給每個真實服務(wù)器，不管后端 RS 配置和處理能力，非常均衡地分發(fā)下去。

2.加權(quán)輪叫 wrr
這種算法比 rr 的算法多了一個權(quán)重的概念，可以給 RS 設(shè)置權(quán)重，權(quán)重越高，那么分發(fā)的請求數(shù)越多，權(quán)重的取值范圍 0 – 100。主要是對rr算法的一種優(yōu)化和補充， LVS 會考慮每臺服務(wù)器的性能，并給每臺服務(wù)器添加要給權(quán)值，如果服務(wù)器A的權(quán)值為1，服務(wù)器B的權(quán)值為2，則調(diào)度到服務(wù)器B的請求會是服務(wù)器A的2倍。權(quán)值越高的服務(wù)器，處理的請求越多。

3.最少鏈接 lc
這個算法會根據(jù)后端 RS 的連接數(shù)來決定把請求分發(fā)給誰，比如 RS1 連接數(shù)比 RS2 連接數(shù)少，那么請求就優(yōu)先發(fā)給 RS1

4.加權(quán)最少鏈接 wlc
這個算法比 lc 多了一個權(quán)重的概念。

5.基于局部性的最少連接調(diào)度算法 lblc
這個算法是請求數(shù)據(jù)包的目標 IP 地址的一種調(diào)度算法，該算法先根據(jù)請求的目標 IP 地址尋找最近的該目標 IP 地址所有使用的服務(wù)器，如果這臺服務(wù)器依然可用，并且有能力處理該請求，調(diào)度器會盡量選擇相同的服務(wù)器，否則會繼續(xù)選擇其它可行的服務(wù)器

6.復(fù)雜的基于局部性最少的連接算法 lblcr
記錄的不是要給目標 IP 與一臺服務(wù)器之間的連接記錄，它會維護一個目標 IP 到一組服務(wù)器之間的映射關(guān)系，防止單點服務(wù)器負載過高。

7.目標地址散列調(diào)度算法 dh
該算法是根據(jù)目標 IP 地址通過散列函數(shù)將目標 IP 與服務(wù)器建立映射關(guān)系，出現(xiàn)服務(wù)器不可用或負載過高的情況下，發(fā)往該目標 IP 的請求會固定發(fā)給該服務(wù)器。

8.源地址散列調(diào)度算法 sh
與目標地址散列調(diào)度算法類似，但它是根據(jù)源地址散列算法進行靜態(tài)分配固定的服務(wù)器資源。

九、實踐LVS的NAT模式

1、實驗環(huán)境

三臺服務(wù)器，一臺作為 director，兩臺作為 real server，director 有一個外網(wǎng)網(wǎng)卡(172.16.254.200) 和一個內(nèi)網(wǎng)ip(192.168.0.8)，兩個 real server 上只有內(nèi)網(wǎng) ip (192.168.0.18) 和 (192.168.0.28)，并且需要把兩個 real server 的內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為 director 的內(nèi)網(wǎng) ip(192.168.0.8)

2、安裝和配置

兩個 real server 上都安裝 nginx 服務(wù)
# yum install -y nginx

Director 上安裝 ipvsadm
# yum install -y ipvsadm

Director 上編輯 nat 實現(xiàn)腳本

# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh
# 編輯寫入如下內(nèi)容：
#! /bin/bash
# director服務(wù)器上開啟路由轉(zhuǎn)發(fā)功能:
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# 關(guān)閉 icmp 的重定向
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth2/send_redirects
# director設(shè)置 nat 防火墻
iptables -t nat -F
iptables -t nat -X
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE
# director設(shè)置 ipvsadm
IPVSADM='/sbin/ipvsadm'
$IPVSADM -C
$IPVSADM -A -t 172.16.254.200:80 -s wrr
$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.18:80 -m -w 1
$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.28:80 -m -w 1

保存后，在 Director 上直接運行這個腳本就可以完成 lvs/nat 的配置

/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

查看ipvsadm設(shè)置的規(guī)則

ipvsadm -ln

3、測試LVS的效果

通過瀏覽器測試2臺機器上的web內(nèi)容 http://172.16.254.200 。為了區(qū)分開，我們可以把 nginx 的默認頁修改一下：

在 RS1 上執(zhí)行
# echo "rs1rs1" >/usr/share/nginx/html/index.html

在 RS2 上執(zhí)行
# echo "rs2rs2" >/usr/share/nginx/html/index.html

注意，切記一定要在兩臺 RS 上設(shè)置網(wǎng)關(guān)的 IP 為 director 的內(nèi)網(wǎng) IP。

十、實踐LVS的DR模式

1、實驗環(huán)境

三臺機器：

Director節(jié)點： (eth0 192.168.0.8 vip eth0:0 192.168.0.38)

Real server1： (eth0 192.168.0.18 vip lo:0 192.168.0.38)

Real server2： (eth0 192.168.0.28 vip lo:0 192.168.0.38)

2、安裝

兩個 real server 上都安裝 nginx 服務(wù)

# yum install -y nginx

Director 上安裝 ipvsadm
# yum install -y ipvsadm

3、Director 上配置腳本

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr.sh
#! /bin/bash
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
ipv=/sbin/ipvsadm
vip=192.168.0.38
rs1=192.168.0.18
rs2=192.168.0.28
ifconfig eth0:0 down
ifconfig eth0:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip dev eth0:0
$ipv -C
$ipv -A -t $vip:80 -s wrr
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 3
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1

執(zhí)行腳本：

# bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

4、在2臺 rs 上配置腳本：

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh
#! /bin/bash
vip=192.168.0.38
ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip lo:0
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

rs 上分別執(zhí)行腳本：

bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

5、實驗測試

測試方式同上，瀏覽器訪問 http://192.168.0.38

注意：在 DR 模式下，2臺 rs 節(jié)點的 gateway 不需要設(shè)置成 dir 節(jié)點的 IP 。

參考鏈接地址：

http://www.cnblogs.com/lgfeng/archive/2012/10/16/2726308.html

十一、LVS結(jié)合keepalive

LVS可以實現(xiàn)負載均衡，但是不能夠進行健康檢查，比如一個rs出現(xiàn)故障，LVS 仍然會把請求轉(zhuǎn)發(fā)給故障的rs服務(wù)器，這樣就會導(dǎo)致請求的無效性。keepalive 軟件可以進行健康檢查，而且能同時實現(xiàn) LVS 的高可用性，解決 LVS 單點故障的問題，其實 keepalive 就是為 LVS 而生的。

1、實驗環(huán)境

4臺節(jié)點

Keepalived1 + lvs1(Director1)：192.168.0.48

Keepalived2 + lvs2(Director2)：192.168.0.58

Real server1：192.168.0.18

Real server2：192.168.0.28

IP: 192.168.0.38

2、安裝系統(tǒng)軟件

Lvs + keepalived的2個節(jié)點安裝

# yum install ipvsadm keepalived -y

Real server + nginx服務(wù)的2個節(jié)點安裝

# yum install epel-release –y
# yum install nginx -y

3、設(shè)置配置腳本

Real server節(jié)點2臺配置腳本：

keepalived節(jié)點配置(2節(jié)點)：

主節(jié)點( MASTER )配置文件
vim /etc/keepalived/keepalived.conf
vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.0.38
    }
}

virtual_server 192.168.0.38 80 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    persistence_timeout 0
    protocol TCP

    real_server 192.168.0.18 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80
        }
    }

    real_server 192.168.0.28 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80
        }
    }
}

從節(jié)點( BACKUP )配置文件

拷貝主節(jié)點的配置文件keepalived.conf，然后修改如下內(nèi)容：

state MASTER -> state BACKUP
priority 100 -> priority 90

keepalived的2個節(jié)點執(zhí)行如下命令，開啟轉(zhuǎn)發(fā)功能：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

4、啟動keepalive

先主后從分別啟動keepalive
service keepalived start

5、驗證結(jié)果

實驗1

手動關(guān)閉192.168.0.18節(jié)點的nginx，service nginx stop 在客戶端上去測試訪問 http://192.168.0.38 結(jié)果正常，不會出現(xiàn)訪問18節(jié)點，一直訪問的是28節(jié)點的內(nèi)容。

實驗2

手動重新開啟 192.168.0.18 節(jié)點的nginx， service nginx start 在客戶端上去測試訪問http://192.168.0.38 結(jié)果正常，按照 rr 調(diào)度算法訪問18節(jié)點和28節(jié)點。

實驗3

測試 keepalived 的HA特性，首先在master上執(zhí)行命令 ip addr ，可以看到38的vip在master節(jié)點上的；這時如果在master上執(zhí)行 service keepalived stop 命令，這時vip已經(jīng)不再master上，在slave節(jié)點上執(zhí)行 ip addr 命令可以看到 vip 已經(jīng)正確漂到slave節(jié)點，這時客戶端去訪問 http://192.168.0.38 訪問依然正常，驗證了 keepalived的HA特性。

上述就是小編為大家分享的如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

本文標題：如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置
標題鏈接：http://muchs.cn/article34/ghsjpe.html

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如何使用LVS實現(xiàn)負載均衡的原理以及安裝配置

一、負載均衡LVS基本介紹

二、LVS的基本工作原理

三、LVS的組成

四、LVS相關(guān)術(shù)語

五、LVS/NAT原理和特點

六、LVS/DR原理和特點

七、LVS/Tun原理和特點

八、LVS的八種調(diào)度算法

九、實踐LVS的NAT模式

十、實踐LVS的DR模式

十一、LVS結(jié)合keepalive

三、LVS的組成

四、LVS相關(guān)術(shù)語

五、LVS/NAT原理和特點

六、LVS/DR原理和特點

七、LVS/Tun原理和特點

九、實踐LVS的NAT模式