如何使用LVS實現負載均衡的原理以及安裝配置

這期內容當中小編將會給大家帶來有關如何使用LVS實現負載均衡的原理以及安裝配置，文章內容豐富且以專業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。

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。

一、負載均衡LVS基本介紹

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

   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起的一個開源項目，它的官方網站是http://www.linuxvirtualserver.org 現在 LVS 已經是 Linux 內核標準的一部分。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 操作系統實現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最優的性能。LVS 是一個實現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。

二、LVS的基本工作原理

過程說明：

1.當用戶向負載均衡調度器（Director Server）發起請求，調度器將請求發往至內核空間
2.PREROUTING鏈首先會接收到用戶請求，判斷目標IP確定是本機IP，將數據包發往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會強行修改數據包里的目標IP地址及端口，并將新的數據包發往POSTROUTING鏈
4.POSTROUTING鏈接收數據包后發現目標IP地址剛好是自己的后端服務器，那么此時通過選路，將數據包最終發送給后端的服務器

三、LVS的組成

LVS 由2部分程序組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. ipvs(ip virtual server)：一段代碼工作在內核空間，叫ipvs，是真正生效實現調度的代碼。
2. ipvsadm：另外一段是工作在用戶空間，叫ipvsadm，負責為ipvs內核框架編寫規則，定義誰是集群服務，而誰是后端真實的服務器(Real Server)

四、LVS相關術語

1. DS：Director Server。指的是前端負載均衡器節點。
2. RS：Real Server。后端真實的工作服務器。
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，主要用于和內部主機通訊的IP地址。
5. 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。

五、LVS/NAT原理和特點

1. 重點理解NAT方式的實現原理和數據包的改變。

過程說明：

(a). 當用戶請求到達Director Server，此時請求的數據報文會先到內核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP 
(b). PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
(c). IPVS比對數據包請求的服務是否為集群服務，若是，修改數據包的目標IP地址為后端服務器IP，然后將數據包發至POSTROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為RIP 
(d). POSTROUTING鏈通過選路，將數據包發送給Real Server
(e). Real Server比對發現目標為自己的IP，開始構建響應報文發回給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

2. LVS-NAT模型的特性

（1）RS應該使用私有地址，RS的網關必須指向DIP

（2）DIP和RIP必須在同一個網段內

（3）請求和響應報文都需要經過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

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

六、LVS/DR原理和特點

1. 重將請求報文的目標MAC地址設定為挑選出的RS的MAC地址

過程說明：

(a)當用戶請求到達Director Server，此時請求的數據報文會先到內核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP
(b)PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
(c)IPVS比對數據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，然后將數據包發至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，那么此時數據包將會發至Real Server。
(e)RS發現請求報文的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網卡然后向外發出。 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

2. LVS-DR模型的特性

特點1：保證前端路由將目標地址為VIP報文統統發給Director Server，而不是RS

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

（3）RS跟Director Server必須在同一個物理網絡中

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

（5）不支持地址轉換，也不支持端口映射

（6）RS可以是大多數常見的操作系統

（7）RS的網關絕不允許指向DIP(因為我們不允許他經過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的層次上實現在ARP解析時做防火墻規則，過濾RS響應ARP請求。這是由iptables提供的

修改RS上內核參數（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。

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)

過程說明：

(a)當用戶請求到達Director Server，此時請求的數據報文會先到內核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP 。
(b)PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
(c)IPVS比對數據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。然后發至POSTROUTING鏈。 此時源IP為DIP，目標IP為RIP 
(d)POSTROUTING鏈根據最新封裝的IP報文，將數據包發至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接收到報文后發現是自己的IP地址，就將報文接收下來，拆除掉最外層的IP后，會發現里面還有一層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

1、LVS-Tun模型特性

（1）RIP、VIP、DIP全是公網地址

（2）RS的網關不會也不可能指向DIP

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

（4）不支持端口映射

（5）RS的系統必須支持隧道

其實企業中最常用的是 DR 實現方式，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。

八、LVS的八種調度算法

1. 輪叫調度 rr
這種算法是最簡單的，就是按依次循環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，非常均衡地分發下去。

2. 加權輪叫 wrr
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，那么分發的請求數越多，權重的取值范圍 0 – 100。主要是對rr算法的一種優化和補充， 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。

3. 最少鏈接 lc
這個算法會根據后端 RS 的連接數來決定把請求分發給誰，比如 RS1 連接數比 RS2 連接數少，那么請求就優先發給 RS1 

4. 加權最少鏈接 wlc
這個算法比 lc 多了一個權重的概念。

5. 基于局部性的最少連接調度算法 lblc
這個算法是請求數據包的目標 IP 地址的一種調度算法，該算法先根據請求的目標 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，否則會繼續選擇其它可行的服務器

6. 復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。

7. 目標地址散列調度算法 dh
該算法是根據目標 IP 地址通過散列函數將目標 IP 與服務器建立映射關系，出現服務器不可用或負載過高的情況下，發往該目標 IP 的請求會固定發給該服務器。

8. 源地址散列調度算法 sh
與目標地址散列調度算法類似，但它是根據源地址散列算法進行靜態分配固定的服務器資源。

九、實踐LVS的NAT模式

1、實驗環境

三臺服務器，一臺作為 director，兩臺作為 real server，director 有一個外網網卡(172.16.254.200) 和一個內網ip(192.168.0.8)，兩個 real server 上只有內網 ip (192.168.0.18) 和 (192.168.0.28)，并且需要把兩個 real server 的內網網關設置為 director 的內網 ip(192.168.0.8)

2、安裝和配置

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 實現腳本

# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh
# 編輯寫入如下內容：
#! /bin/bash
# director服務器上開啟路由轉發功能:
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/eth2/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內容 http://172.16.254.200 。為了區分開，我們可以把 nginx 的默認頁修改一下：

在 RS1 上執行
# echo "rs1rs1" >/usr/share/nginx/html/index.html

在 RS2 上執行
# echo "rs2rs2" >/usr/share/nginx/html/index.html 

注意，切記一定要在兩臺 RS 上設置網關的 IP 為 director 的內網 IP。

十、實踐LVS的DR模式

1、實驗環境

三臺機器：

Director節點：  (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

# 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 節點的 gateway 不需要設置成 dir 節點的 IP 。

參考鏈接地址：

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

十一、LVS結合keepalive

LVS可以實現負載均衡，但是不能夠進行健康檢查，比如一個rs出現故障，LVS 仍然會把請求轉發給故障的rs服務器，這樣就會導致請求的無效性。keepalive 軟件可以進行健康檢查，而且能同時實現 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、實驗環境

4臺節點

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、安裝系統軟件

Lvs + keepalived的2個節點安裝

# yum install ipvsadm keepalived -y

Real server + nginx服務的2個節點安裝

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

3、設置配置腳本

Real server節點2臺配置腳本：

# 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

2節點rs 上分別執行腳本：
bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

keepalived節點配置(2節點)：

主節點( 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
        }
    }
}

從節點( BACKUP )配置文件

拷貝主節點的配置文件keepalived.conf，然后修改如下內容：

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

keepalived的2個節點執行如下命令，開啟轉發功能：

# 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、驗證結果

實驗1

手動關閉192.168.0.18節點的nginx，service nginx stop 在客戶端上去測試訪問 http://192.168.0.38 結果正常，不會出現訪問18節點，一直訪問的是28節點的內容。

實驗2

手動重新開啟 192.168.0.18 節點的nginx， service nginx start 在客戶端上去測試訪問http://192.168.0.38 結果正常，按照 rr 調度算法訪問18節點和28節點。

實驗3

測試 keepalived 的HA特性，首先在master上執行命令 ip addr ，可以看到38的vip在master節點上的；這時如果在master上執行 service keepalived stop 命令，這時vip已經不再master上，在slave節點上執行 ip addr 命令可以看到 vip 已經正確漂到slave節點，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知識，歡迎關注億速云行業資訊頻道。