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LVS负载均衡集群
一、LVS介绍
1.1 LVS简介
- 定义：LVS 是一种基于 Linux 内核的虚拟服务器技术，它通过软件方式实现了负载均衡和服务器集群功能，能将网络请求均衡地分发到多个后端服务器上，从而提高系统的整体性能、可靠性和可扩展性。
- 实现方式：LVS 主要利用网络地址转换（NAT）、IP 隧道（IP Tunneling）和直接路由（Direct Routing）等技术，在客户端和后端服务器之间建立连接，并根据一定的负载均衡算法将请求转发到合适的服务器上进行处理。
- **官方站点：**www.linuxvirtualserver.org
1.2 LVS体系结构
- 负载均衡器（Load Director）：位于整个集群系统的最前端，有一台或者多台负载调度器（Director Server）组成，LVS模块就安装在Director Server上，而Director的主要作用类似于一个路由器，它含有完成LVS功能所设定的路由表，通过这些路由表把用户的请求分发给Server Array层的应用服务器（Real Server）上。同时，在Director Server上还要安装对Real Server服务的监控模块Ldirectord，此模块用于监测各个Real Server服务的健康状况。在Real Server不可用时把它从LVS路由表中剔除，恢复时重新加入。
- 真实服务器（Real Server）：由一组实际运行应用服务的机器组成，Real Server可以是WEB服务器、MAIL服务器、FTP服务器、DNS服务器、视频服务器中的一个或者多个，每个Real Server之间通过高速的LAN或分布在各地的WAN相连接。在实际的应用中，Director Server也可以同时兼任Real Server的角色。
- 共享存储（Shared Storage）：是为所有Real Server提供共享存储空间和内容一致性的存储区域，在物理上，一般有磁盘阵列设备组成，为了提供内容的一致性，一般可以通过NFS网络文件系统共享数据，但是NFS在繁忙的业务系统中，性能并不是很好，此时可以采用集群文件系统，例如Red hat的GFS文件系统，oracle提供的OCFS2文件系统等。
1.3 LVS相关术语：
- 虚拟服务器（Virtual Server）：也称为负载均衡器或调度器，是 LVS 系统的核心组件。它对外呈现为一个虚拟的服务器地址，接收来自客户端的请求，并根据负载均衡算法将请求转发到后端的真实服务器上。
- 真实服务器（Real Server）：是实际提供服务的服务器，它们组成了 LVS 集群的后端服务器池。真实服务器可以是 Web 服务器、应用服务器、数据库服务器等，负责处理虚拟服务器转发过来的请求，并将响应结果返回给客户端。
- 负载均衡算法（Load Balancing Algorithm）：用于决定如何将客户端请求分配到后端真实服务器上的规则。常见的负载均衡算法包括轮询（Round Robin）、加权轮询（Weighted Round Robin）、最少连接（Least Connections）、加权最少连接（Weighted Least Connections）等。不同的算法适用于不同的应用场景，可以根据服务器的性能、业务需求等因素进行选择。
- IP 隧道（IP Tunneling）：一种在网络层实现的技术，通过在原始 IP 数据包外面封装一层新的 IP 头，将数据包从一个网络节点传输到另一个网络节点。在 LVS 中，IP 隧道技术用于将客户端的请求从虚拟服务器转发到后端真实服务器，同时允许真实服务器将响应直接返回给客户端，提高了系统的性能和可扩展性。
- 直接路由（Direct Routing）：LVS 的一种工作模式，在这种模式下，虚拟服务器只负责接收客户端的请求，并根据负载均衡算法选择一台后端真实服务器，然后将请求的目的 MAC 地址修改为真实服务器的 MAC 地址，将请求直接发送到真实服务器上。真实服务器处理完请求后，直接将响应返回给客户端，无需经过虚拟服务器。这种模式可以提高系统的性能和效率，减少网络延迟
| 名称 | 简写 | 说明 |
|---|---|---|
| 虚拟IP地址（Virtual IP Address） | VIP | Director用于向客户端计算机提供服务的IP地址 |
| 真实IP地址（Real Server IP Address） | RIP | 在集群下面节点上使用的IP地址 |
| Director的IP地址（Director IP Address） | DIP | Director用于连接内外网网络的IP地址 |
| 客户端主机IP地址（Client IP Address） | CIP | 客户端用户计算机请求集群服务器的IP地址，该地址用作发送给集群的请求的源IP地址 |
1.4 LVS的三种工作模式
LVS 有三种工作模式，分别是 NAT 模式（Network Address Translation）、TUN 模式（IP Tunneling）和 DR 模式（Direct Routing），以下是具体介绍：
- NAT 模式（网络地址转换模式）
- 原理：客户端的请求数据包到达负载均衡器后，负载均衡器根据负载均衡算法选择一台后端真实服务器，然后将数据包的目标 IP 地址修改为选中的真实服务器的 IP 地址，同时将源 IP 地址修改为自己的 IP 地址，再将数据包转发给真实服务器。真实服务器处理完请求后，将响应数据包发送给负载均衡器，负载均衡器再将数据包的源 IP 地址和目标 IP 地址改回客户端和自己的 IP 地址，然后将响应数据包发送给客户端。
- 特点：优点是部署简单，只需要在负载均衡器上进行配置，后端真实服务器无需特殊配置。缺点是负载均衡器会成为系统的瓶颈，因为所有的请求和响应都需要经过它转发，处理能力有限。而且由于修改了数据包的 IP 地址，可能会导致一些应用程序出现兼容性问题。
- 应用场景：适用于小型网络环境，后端真实服务器数量较少，对系统性能要求不是特别高的场景。
- TUN 模式（IP 隧道模式）
- 原理：客户端的请求数据包到达负载均衡器后，负载均衡器根据负载均衡算法选择一台后端真实服务器，然后在原始数据包外面封装一层新的 IP 头，将目标 IP 地址设置为真实服务器的 IP 地址，源 IP 地址设置为自己的 IP 地址，再将封装后的数据包通过 IP 隧道发送给真实服务器。真实服务器收到数据包后，解开外层封装，得到原始数据包并进行处理，处理完后直接将响应数据包发送给客户端，无需经过负载均衡器。
- 特点：优点是负载均衡器只负责封装和转发请求数据包，真实服务器可以直接将响应发送给客户端，大大减轻了负载均衡器的压力，能够处理大量的并发请求，可扩展性好。缺点是需要在负载均衡器和后端真实服务器上都进行 IP 隧道的配置，相对复杂一些。
- 应用场景：适用于大型网络环境，后端真实服务器分布在不同的网络区域，对系统性能和可扩展性要求较高的场景。
- DR 模式（直接路由模式）
- 原理：客户端的请求数据包到达负载均衡器后，负载均衡器根据负载均衡算法选择一台后端真实服务器，然后将数据包的目标 MAC 地址修改为选中的真实服务器的 MAC 地址，而不修改 IP 地址，再将数据包发送到真实服务器所在的局域网中。真实服务器收到数据包后，发现目标 MAC 地址是自己的，就会接收并处理数据包，处理完后直接将响应数据包发送给客户端，无需经过负载均衡器。
- 特点：优点是性能最高，因为负载均衡器只需要修改数据包的 MAC 地址，处理速度快，而且真实服务器直接响应客户端，减少了中间环节，提高了系统的整体性能。缺点是要求负载均衡器和后端真实服务器必须在同一个局域网内，并且真实服务器需要配置虚拟 IP 地址，以接收负载均衡器转发的数据包。
- 应用场景：适用于对系统性能要求极高的网络环境，如大型网站、电子商务平台等，后端真实服务器数量较多且在同一局域网内的场景。