Linux虛擬服務器LVS的三種負載均衡方式對比

本篇內容介紹了“Linux虛擬服務器LVS的三種負載均衡方式對比”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

　　1、LVS的定義？

　　LVS是Linux Virtual Server的簡寫，意即Linux虛擬服務器，是一個虛擬的服務器集群系統。其實它是一種集群(Cluster)技術，采用IP負載均衡技術和基于內容請求分發技術。調度器具有很好的吞吐率，將請求均衡地轉移到不同的服務器上執行，且調度器自動屏蔽掉服務器的故障，從而將一組服務器構成一個高性能的、高可用的虛擬服務器。整個服務器集群的結構對客戶是透明的，而且無需修改客戶端和服務器端的程序。本項目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中國國內最早出現的自由軟件項目之一。

　　為此，在設計時需要考慮系統的透明性、可伸縮性、高可用性和易管理性。一般來說，LVS集群采用三層結構，其體系結構如圖所示：

　　LVS集群的體系結構

　　2、LVS主要組成部分為：

　　負載調度器（load balancer/ Director），它是整個集群對外面的前端機，負責將客戶的請求發送到一組服務器上執行，而客戶認為服務是來自一個IP地址（我們可稱之為虛擬IP地址）上的。

　　服務器池（server pool/ Realserver），是一組真正執行客戶請求的服務器，執行的服務一般有WEB、MAIL、FTP和DNS等。

　　共享存儲（shared storage），它為服務器池提供一個共享的存儲區，這樣很容易使得服務器池擁有相同的內容，提供相同的服務。

　　3、LVS負載均衡方式:

　　Virtual Server via Network Address Translation NAT（VS/NAT）

　　VS/NAT是一種最簡單的方式，所有的RealServer只需要將自己的網關指向Director即可。客戶端可以是任意操作系統，但此方式下，一個Director能夠帶動的RealServer比較有限。在VS/NAT的方式下，Director也可以兼為一臺RealServer。VS/NAT的體系結構如圖所示。

　　VS/NAT的體系結構

　　Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)

　　IP隧道（IP tunneling）是將一個IP報文封裝在另一個IP報文的技術，這可以使得目標為一個IP地址的數據報文能被封裝和轉發到另一個IP地址。IP隧道技術亦稱為IP封裝技術（IP encapsulation）。IP隧道主要用于移動主機和虛擬私有網絡（Virtual Private Network），在其中隧道都是靜態建立的，隧道一端有一個IP地址，另一端也有唯一的IP地址。它的連接調度和管理與VS/NAT中的一樣，只是它的報文轉發方法不同。調度器根據各個服務器的負載情況，動態地選擇一臺服務器，將請求報文封裝在另一個IP報文中，再將封裝后的IP報文轉發給選出的服務器；服務器收到報文后，先將報文解封獲得原來目標地址為 VIP 的報文，服務器發現VIP地址被配置在本地的IP隧道設備上，所以就處理這個請求，然后根據路由表將響應報文直接返回給客戶。

　　VS/TUN的體系結構

　　VS/TUN的工作流程：

　　Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)

　　VS/DR方式是通過改寫請求報文中的MAC地址部分來實現的。Director和RealServer必需在物理上有一個網卡通過不間斷的局域網相連。 RealServer上綁定的VIP配置在各自Non-ARP的網絡設備上(如lo或tunl),Director的VIP地址對外可見，而RealServer的VIP對外是不可見的。RealServer的地址即可以是內部地址，也可以是真實地址。

　　VS/DR的體系結構

　　VS/DR的工作流程

　　VS/DR的工作流程如圖所示：它的連接調度和管理與VS/NAT和VS/TUN中的一樣，它的報文轉發方法又有不同，將報文直接路由給目標服務器。在VS/DR中，調度器根據各個服務器的負載情況，動態地選擇一臺服務器，不修改也不封裝IP報文，而是將數據幀的MAC地址改為選出服務器的MAC地址，再將修改后的數據幀在與服務器組的局域網上發送。因為數據幀的MAC地址是選出的服務器，所以服務器肯定可以收到這個數據幀，從中可以獲得該IP報文。當服務器發現報文的目標地址VIP是在本地的網絡設備上，服務器處理這個報文，然后根據路由表將響應報文直接返回給客戶。

　　VS/DR的工作流程

　　4、三種負載均衡方式比較：

　　Virtual Server via NAT

　　VS/NAT 的優點是服務器可以運行任何支持TCP/IP的操作系統，它只需要一個IP地址配置在調度器上，服務器組可以用私有的IP地址。缺點是它的伸縮能力有限，當服務器結點數目升到20時，調度器本身有可能成為系統的新瓶頸，因為在VS/NAT中請求和響應報文都需要通過負載調度器。我們在Pentium166 處理器的主機上測得重寫報文的平均延時為60us，性能更高的處理器上延時會短一些。假設TCP報文的平均長度為536 Bytes，則調度器的最大吞吐量為8.93 MBytes/s. 我們再假設每臺服務器的吞吐量為800KBytes/s，這樣一個調度器可以帶動10臺服務器。（注：這是很早以前測得的數據）

　　基于 VS/NAT的的集群系統可以適合許多服務器的性能要求。如果負載調度器成為系統新的瓶頸，可以有三種方法解決這個問題：混合方法、VS/TUN和 VS/DR。在DNS混合集群系統中，有若干個VS/NAT負調度器，每個負載調度器帶自己的服務器集群，同時這些負載調度器又通過RR-DNS組成簡單的域名。

　　但VS/TUN和VS/DR是提高系統吞吐量的更好方法。

　　對于那些將IP地址或者端口號在報文數據中傳送的網絡服務，需要編寫相應的應用模塊來轉換報文數據中的IP地址或者端口號。這會帶來實現的工作量，同時應用模塊檢查報文的開銷會降低系統的吞吐率。

　　Virtual Server via IP Tunneling

　　在VS/TUN 的集群系統中，負載調度器只將請求調度到不同的后端服務器，后端服務器將應答的數據直接返回給用戶。這樣，負載調度器就可以處理大量的請求，它甚至可以調度百臺以上的服務器（同等規模的服務器），而它不會成為系統的瓶頸。即使負載調度器只有100Mbps的全雙工網卡，整個系統的最大吞吐量可超過 1Gbps。所以，VS/TUN可以極大地增加負載調度器調度的服務器數量。VS/TUN調度器可以調度上百臺服務器，而它本身不會成為系統的瓶頸，可以用來構建高性能的超級服務器。VS/TUN技術對服務器有要求，即所有的服務器必須支持“IP Tunneling”或者“IP Encapsulation”協議。目前，VS/TUN的后端服務器主要運行Linux操作系統，我們沒對其他操作系統進行測試。因為“IP Tunneling”正成為各個操作系統的標準協議，所以VS/TUN應該會適用運行其他操作系統的后端服務器。

　　Virtual Server via Direct Routing

　　跟VS/TUN方法一樣，VS/DR調度器只處理客戶到服務器端的連接，響應數據可以直接從獨立的網絡路由返回給客戶。這可以極大地提高LVS集群系統的伸縮性。跟VS/TUN相比，這種方法沒有IP隧道的開銷，但是要求負載調度器與實際服務器都有一塊網卡連在同一物理網段上，服務器網絡設備（或者設備別名）不作ARP響應，或者能將報文重定向（Redirect）到本地的Socket端口上。

　　三種LVS負載均衡技術的優缺點歸納以下表：

　　注：以上三種方法所能支持最大服務器數目的估計是假設調度器使用100M網卡，調度器的硬件配置與后端服務器的硬件配置相同，而且是對一般Web服務。使 用更高的硬件配置（如千兆網卡和更快的處理器）作為調度器，調度器所能調度的服務器數量會相應增加。當應用不同時，服務器的數目也會相應地改變。所以，以上數據估計主要是為三種方法的伸縮性進行量化比較。

　　5、負載均衡調度算法

　　1)最少的連接方式（Least Connection）：傳遞新的連接給那些進行最少連接處理的服務器。當其中某個服務器發生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務器隊列中拿出，不參加下一次的用戶請求的分配, 直到其恢復正常。

　　2)最快模式（Fastest）：傳遞連接給那些響應最快的服務器。當其中某個服務器發生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務器隊列中拿出，不參加下一次的用戶請求的分配，直到其恢復正常。

　　3）觀察模式（Observed）：連接數目和響應時間以這兩項的最佳平衡為依據為新的請求選擇服務器。當其中某個服務器發生第二到第7 層的故障，BIG-IP就把其從服務器隊列中拿出，不參加下一次的用戶請求的分配，直到其恢復正常。

　　4）預測模式（Predictive）：BIG-IP利用收集到的服務器當前的性能指標，進行預測分析，選擇一臺服務器在下一個時間片內，其性能將達到最佳的服務器相應用戶的請求。(被BIG-IP 進行檢測)

　　5）動態性能分配(Dynamic Ratio-APM)：BIG-IP 收集到的應用程序和應用服務器的各項性能參數，動態調整流量分配。

　　6）動態服務器補充(Dynamic Server Act.)：當主服務器群中因故障導致數量減少時，動態地將備份服務器補充至主服務器群。

　　7）服務質量(QoS）：按不同的優先級對數據流進行分配。

　　8）服務類型(ToS)： 按不同的服務類型（在Type of Field中標識）負載均衡對數據流進行分配。

　　9)規則模式：針對不同的數據流設置導向規則，用戶可自行。

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