一、LVS是什么

LVS（Linux Virtual Server），是一個(gè)極好的負(fù)載均衡解決方案，它將一個(gè)真實(shí)服務(wù)器集群虛擬成一臺(tái)服務(wù)器來(lái)對(duì)外提供服務(wù)，同時(shí)在真實(shí)服務(wù)器集群中實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡。該技術(shù)由章文嵩博客發(fā)起，從linux2.4開(kāi)始已經(jīng)被收錄到linux核心中。

二、LVS有什么用

隨著互聯(lián)網(wǎng)在人們生活中的普及，企業(yè)級(jí)應(yīng)用迎來(lái)了海量數(shù)據(jù)的沖擊，如微信、美團(tuán)外賣、微信支付等應(yīng)用每天的使用人數(shù)都在千萬(wàn)以上，僅靠單臺(tái)機(jī)器提供服務(wù)已經(jīng)行不通了。

我們可以使用多臺(tái)服務(wù)器分?jǐn)傔@些壓力，當(dāng)一定數(shù)量的服務(wù)器作為一個(gè)整體對(duì)外提供服務(wù)，并且分?jǐn)倝毫r(shí)，我們可以稱這些服務(wù)器為“負(fù)載均衡集群”。LVS就是一個(gè)優(yōu)秀的負(fù)載均衡集群方案，它理論上能夠無(wú)限水平擴(kuò)展，使得服務(wù)能夠應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的沖擊。

三、LVS的原理是什么

首先描述一下LVS中的一些術(shù)語(yǔ)：

VS：Virtual Server 虛擬服務(wù)器，通常是分發(fā)器

RS：Real Server 實(shí)際提供服務(wù)器的真實(shí)服務(wù)器

CIP：Client IP 客戶的客戶端IP

VIP：Virtual Server IP 虛擬服務(wù)器的IP

RIP：Real Server IP 真實(shí)服務(wù)器的IP

DIP：Director IP 分發(fā)器的IP

CIP <–> VIP == DIP <–> RIP 客戶端訪問(wèn)VIP，DIP將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到RIP

LVS的原理如下圖所示：

分發(fā)服務(wù)器以VIP對(duì)外提供服務(wù)器，當(dāng)接收到客戶端服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，便根據(jù)預(yù)定的分發(fā)策略（例如輪詢）將請(qǐng)求分發(fā)到Real Server中，由Real Server做實(shí)際的業(yè)務(wù)處理。當(dāng)Real Server處理完成后，根據(jù)不同的模式，會(huì)使用不同的方式返回請(qǐng)求結(jié)果。

四、 LVS的3種工作模式

根據(jù)服務(wù)返回方式和集群分布的不同，LVS有3中不同的工作模式，他們分別是：NAT（地址轉(zhuǎn)換）模式、DR（直接路由）模式和TUN（隧道）模式。

NAT地址轉(zhuǎn)換模式

NAT地址轉(zhuǎn)換模式是最為簡(jiǎn)單的一種模式，它的原理如下圖所示（為了簡(jiǎn)潔，用戶只畫(huà)了一個(gè)）：

NAT其實(shí)就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的，下面是它的請(qǐng)求流程：

分發(fā)服務(wù)器Director Server（后面簡(jiǎn)稱DS）接受到請(qǐng)求后，通過(guò)分發(fā)策略得出要將此請(qǐng)求分發(fā)到Real Server1。于是將請(qǐng)求報(bào)文的目的地址改為RIP1，發(fā)送出去。

Real Server1收到一個(gè)目標(biāo)地址為自己的數(shù)據(jù)包，于是接受并進(jìn)行處理。

處理完成后，Real Server1將RIP1——>CIP的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

DS接收到RIP1——>CIP的數(shù)據(jù)包后，將源地址改為VIP，然后發(fā)送出去：VIP——>CIP。 這個(gè)過(guò)程中，DS僅僅起到一個(gè)地址轉(zhuǎn)換和分發(fā)的作用。在NAT模式中，請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文都要通過(guò)DS，當(dāng)真實(shí)服務(wù)器的數(shù)量越來(lái)越多時(shí)，分發(fā)器DS將會(huì)成為整個(gè)集群系統(tǒng)的性能瓶頸。下面的DR模式解決這個(gè)問(wèn)題。

DR直接路由模式

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中存在一個(gè)規(guī)律：請(qǐng)求報(bào)文較短而響應(yīng)報(bào)文往往包含大量的數(shù)據(jù)。如果能將請(qǐng)求和響應(yīng)分開(kāi)處理，即在負(fù)載調(diào)度器(Director)中只負(fù)責(zé)調(diào)度請(qǐng)求而響應(yīng)直接由RealServer返回給客戶，將極大地提高整個(gè)集群系統(tǒng)的吞吐量。這就是DR的實(shí)現(xiàn)原理，原理圖如下所示：

在DR模型中，只有在請(qǐng)求的時(shí)候會(huì)經(jīng)過(guò)DR，響應(yīng)的數(shù)據(jù)包由Real Server直接返回給用戶，該模式是3中模式中最常用的。它的請(qǐng)求過(guò)程如下所示：

DR接受到請(qǐng)求后，通過(guò)分發(fā)策略得出要將此請(qǐng)求分發(fā)到Real Server2。DS就將數(shù)據(jù)幀中的目標(biāo)MAC地址修改為Real Server2的MAC地址,然后再將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。（為什么要用MAC地址？因?yàn)榇藭r(shí)Real Server也有配置有VIP）

當(dāng)Real Server2 收到一個(gè)源地址為CIP目標(biāo)地址為VIP的數(shù)據(jù)包時(shí),Real Server2發(fā)現(xiàn)目標(biāo)地址為VIP,而VIP是自己,于是接受數(shù)據(jù)包并給予處理。

Real Server2處理完成后，會(huì)將一個(gè)源地址為VIP而目標(biāo)地址為CIP的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，此時(shí)的響應(yīng)請(qǐng)求就不會(huì)再經(jīng)過(guò)DS，而是直接響應(yīng)給用戶了。

在這個(gè)過(guò)程中存在一個(gè)問(wèn)題，由于RealServer也配置了VIP，那么當(dāng)CIP——>VIP的數(shù)據(jù)包到達(dá)服務(wù)局域網(wǎng)，進(jìn)行廣播時(shí)，所有的服務(wù)器都會(huì)進(jìn)行應(yīng)答，此時(shí)先應(yīng)答的服務(wù)器就會(huì)收到數(shù)據(jù)包，這樣就失去了負(fù)載均衡的能力。因此在使用DR模式時(shí)，通常會(huì)采用一些方式來(lái)確保請(qǐng)求數(shù)據(jù)包只會(huì)由DS接收，例如抑制Real Server對(duì)廣播的應(yīng)答，或者直接在路由器中對(duì)DS進(jìn)行綁定等。

TNU隧道模式

TNU模式與DR模式非常相似，它同樣是只有請(qǐng)求信息會(huì)經(jīng)過(guò)DS，應(yīng)答信息由Real Server直接返回給用戶。不過(guò)DR模式中，要求DS和所有的Real Server必須在一個(gè)局域網(wǎng)中，而TNU模式去掉了這個(gè)限制。

TNU模式原理圖如下所示：

在TNU模式中，DS與Real Server不必在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。DS在接到請(qǐng)求報(bào)文之后，在報(bào)文的上面再加一層源地址為DIP，目的地址為RIP2的IP首部，然后通過(guò)廣域網(wǎng)發(fā)送到Real Server2。

Real Server2收到報(bào)文，拆掉報(bào)文以后發(fā)現(xiàn)了里面還有一個(gè)封裝，它就知道了，這就是隧道。后續(xù)的過(guò)程就與DR一樣了。

五、 LVS的調(diào)度算法

LVS的調(diào)度算法是指LVS對(duì)于請(qǐng)求的分發(fā)方式。DS在向Real Server分發(fā)請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡時(shí)，有10種不同的算法：

輪詢（Round Robin，rr）：在Real Server之間輪流分配請(qǐng)求。

加權(quán)輪詢（Weighted Round Robin，wrr）：有權(quán)重地進(jìn)行輪詢。

最少鏈接（Least Connnections，lc）：將請(qǐng)求發(fā)送給連接數(shù)最少的RS。

加權(quán)最少鏈接（Weighted Least Connnections，wlc）：分發(fā)給基于權(quán)重的最少鏈接。

基于局部性的最少鏈接（Locality-Based Least Connections，lblc）：首先根據(jù)目標(biāo)IP地址找出最近使用的服務(wù)器，如果該服務(wù)器可用且沒(méi)有超載（一半的工作負(fù)荷），則將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器。否則，使用“最少鏈接”原則。

帶復(fù)制的基于局部性最少鏈接（Locality-Based Least Connections with
Replication，lblcr）：它與lblc的不同之處是它要維護(hù)從一個(gè)目標(biāo)IP到一組服務(wù)器的映射，而lblc值維護(hù)從一個(gè)目標(biāo)IP到一臺(tái)服務(wù)器的映射。

目標(biāo)地址散列（Destination Hashing，dh）：使用請(qǐng)求的目標(biāo)IP地址作為散列鍵，從靜態(tài)分配的散列表找出對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，若該服務(wù)器可用且未超載，則轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，否則返回空。

源地址散列（Source Hashing，sh）：使用請(qǐng)求的源IP地址作為散列鍵，從靜態(tài)分配的散列表找出對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，若該服務(wù)器可用且未超載，則轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，否則返回空。

最短期望延遲（Shortest Expecte Delay，sed）：“最短的期望的延遲”是基于WLC算法的，只是其計(jì)算方法不同。具體算法如下：（active+1)*256/weight

最少隊(duì)列調(diào)度（Never Queue Scheduling）：無(wú)需隊(duì)列。如果有臺(tái)
realserver的連接數(shù)＝0就直接分配過(guò)去，不需要在進(jìn)行SED運(yùn)算。如果沒(méi)有服務(wù)器連接數(shù)為空閑，則使用SED算法。

六、LVS的優(yōu)缺點(diǎn)是什么

LVS的優(yōu)點(diǎn)有：

工作在網(wǎng)絡(luò)層，可以實(shí)現(xiàn)高性能、高可用的服務(wù)器集群技術(shù)。

廉價(jià)，可把許多低性能的服務(wù)器組合在一起形成一個(gè)水平擴(kuò)展的集群服務(wù)器。

易用，配置非常簡(jiǎn)單，且有多重負(fù)載均衡的方法

穩(wěn)定可靠，即使集群中的一臺(tái)服務(wù)器掛掉，也不影響整體服務(wù)效果。

可擴(kuò)展性好，可以用戶透明地進(jìn)行水平擴(kuò)展，加減機(jī)器非常方便。

LVS的缺點(diǎn)：

由于是通用組件，因此不能對(duì)特定業(yè)務(wù)進(jìn)行針對(duì)優(yōu)化。

對(duì)于長(zhǎng)連接無(wú)法進(jìn)行負(fù)載均衡。

自身沒(méi)有健康狀態(tài)檢查，需要結(jié)合腳本或者Keepalived等軟件實(shí)現(xiàn)。

LVS （Linux Virtual Server）跟SLB(Server Load Balancing)最大的區(qū)別就是，LVS是在網(wǎng)絡(luò)層起作用的，而SLB是在應(yīng)用層起作用的

參考文章
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的LVS原理图解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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