摘要：常用的負載均衡開源軟件有，商業(yè)的硬件負載均衡設備。使用可以達到的技術目標是通過達到的負載均衡技術和操作系統(tǒng)實現(xiàn)一個高性能高可用的服務器集群，它具有良好的可靠性可擴展性和可操作性。指的是前端負載均衡器節(jié)點。。

博文參考

http://www.jianshu.com/p/8a61de3f8be9
http://itnihao.blog.51cto.com/1741976/752472

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)的硬件負載均衡設備F5、Netscale。這里主要是學習 LVS 并對其進行了詳細的總結記錄。

LB集群的架構和原理很簡單，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)設置好的調度算法，智能均衡地分發(fā)到后端真正服務器(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虛擬服務器。這是一個由章文嵩博士發(fā)起的一個開源項目，它的現(xiàn)在 LVS 已經(jīng)是 Linux 內(nèi)核標準的一部分。使用 LVS 可以達到的技術目標是：通過 LVS 達到的負載均衡技術和 Linux 操作系統(tǒng)實現(xiàn)一個高性能高可用的 Linux 服務器集群，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架構從邏輯上可分為調度層、Server集群層和共享存儲。

官方網(wǎng)是 http://www.linuxvirtualserver...

當用戶向負載均衡調度器（Director Server）發(fā)起請求，調度器將請求發(fā)往至內(nèi)核空間

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

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進行比對，如果用戶請求的就是定義的集群服務，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

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)送給后端的服務器

LVS 由2部分程序組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

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)調度的代碼。

ipvsadm：另外一段是工作在用戶空間，叫ipvsadm，負責為ipvs內(nèi)核框架編寫規(guī)則，定義誰是集群服務，而誰是后端真實的服務器(Real Server)

DS：Director Server。指的是前端負載均衡器節(jié)點。

RS：Real Server。后端真實的工作服務器。

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。

DIP：Director Server IP，主要用于和內(nèi)部主機通訊的IP地址。

RIP：Real Server IP，后端服務器的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。

(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)包請求的服務是否為集群服務，若是，修改數(shù)據(jù)包的目標IP地址為后端服務器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，開始構建響應報文發(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，然后響應給客戶端。 此時報文的源IP為VIP，目標IP為CIP

RS應該使用私有地址，RS的網(wǎng)關必須指向DIP

DIP和RIP必須在同一個網(wǎng)段內(nèi)

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

支持端口映射

RS可以使用任意操作系統(tǒng)

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

(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)包請求的服務是否為集群服務，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) 響應報文最終送達至客戶端

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

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

RS跟Director Server必須在同一個物理網(wǎng)絡中

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

不支持地址轉換，也不支持端口映射

RS可以是大多數(shù)常見的操作系統(tǒng)

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

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

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，并限制其不能響應對VIP地址解析請求。

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IIP為VIP)，外層IP首部(源地址為DIP，目標IP為RIP)

(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)包請求的服務是否為集群服務，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) 響應報文最終送達至客戶端

RIP、VIP、DIP全是公網(wǎng)地址

RS的網(wǎng)關不會也不可能指向DIP

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

不支持端口映射

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 DR 和 NAT 具體使用配置過程。

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

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

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

這個算法比 lc 多了一個權重的概念。

這個算法是請求數(shù)據(jù)包的目標 IP 地址的一種調度算法，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器，如果這臺服務器依然可用，并且有能力處理該請求，調度器會盡量選擇相同的服務器，否則會繼續(xù)選擇其它可行的服務器

記錄的不是要給目標 IP 與一臺服務器之間的連接記錄，它會維護一個目標 IP 到一組服務器之間的映射關系，防止單點服務器負載過高。

該算法是根據(jù)目標 IP 地址通過散列函數(shù)將目標 IP 與服務器建立映射關系，出現(xiàn)服務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)給該服務器。

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

三臺服務器，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)關設置為 director 的內(nèi)網(wǎng) ip(192.168.0.8)

兩個 real server 上都安裝 nginx 服務

# 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服務器上開啟路由轉發(fā)功能:

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

 #關閉 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/eth1/send_redirects

#director設置 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設置的規(guī)則

ipvsadm -ln

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 上設置網(wǎng)關的 IP 為 director 的內(nèi)網(wǎng) IP。

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)

兩個 real server 上都安裝 nginx 服務

# yum install -y nginx

 

Director 上安裝 ipvsadm

# yum install -y ipvsadm

# 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

# 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

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 不需要設置成 dir 節(jié)點的 IP 。