Linux虛擬服務(wù)器LVS的三種負載均衡方式對比

本篇內(nèi)容介紹了“Linux虛擬服務(wù)器LVS的三種負載均衡方式對比”的有關(guān)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(lǐng)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?qū)W有所成！

　　1、LVS的定義？

　　LVS是Linux Virtual Server的簡寫，意即Linux虛擬服務(wù)器，是一個虛擬的服務(wù)器集群系統(tǒng)。其實它是一種集群(Cluster)技術(shù)，采用IP負載均衡技術(shù)和基于內(nèi)容請求分發(fā)技術(shù)。調(diào)度器具有很好的吞吐率，將請求均衡地轉(zhuǎn)移到不同的服務(wù)器上執(zhí)行，且調(diào)度器自動屏蔽掉服務(wù)器的故障，從而將一組服務(wù)器構(gòu)成一個高性能的、高可用的虛擬服務(wù)器。整個服務(wù)器集群的結(jié)構(gòu)對客戶是透明的，而且無需修改客戶端和服務(wù)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(nèi)最早出現(xiàn)的自由軟件項目之一。

　　為此，在設(shè)計時需要考慮系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，其體系結(jié)構(gòu)如圖所示：

　　LVS集群的體系結(jié)構(gòu)

　　2、LVS主要組成部分為：

　　負載調(diào)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(fā)送到一組服務(wù)器上執(zhí)行，而客戶認為服務(wù)是來自一個IP地址（我們可稱之為虛擬IP地址）上的。

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

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

　　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(wǎng)關(guān)指向Director即可。客戶端可以是任意操作系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)如圖所示。

　　VS/NAT的體系結(jié)構(gòu)

　　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(shù)，這可以使得目標為一個IP地址的數(shù)據(jù)報文能被封裝和轉(zhuǎn)發(fā)到另一個IP地址。IP隧道技術(shù)亦稱為IP封裝技術(shù)（IP encapsulation）。IP隧道主要用于移動主機和虛擬私有網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network），在其中隧道都是靜態(tài)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(diào)度和管理與VS/NAT中的一樣，只是它的報文轉(zhuǎn)發(fā)方法不同。調(diào)度器根據(jù)各個服務(wù)器的負載情況，動態(tài)地選擇一臺服務(wù)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(zhuǎn)發(fā)給選出的服務(wù)器；服務(wù)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(wù)器發(fā)現(xiàn)VIP地址被配置在本地的IP隧道設(shè)備上，所以就處理這個請求，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)報文直接返回給客戶。

　　VS/TUN的體系結(jié)構(gòu)

　　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(xiàn)的。Director和RealServer必需在物理上有一個網(wǎng)卡通過不間斷的局域網(wǎng)相連。 RealServer上綁定的VIP配置在各自Non-ARP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(nèi)部地址，也可以是真實地址。

　　VS/DR的體系結(jié)構(gòu)

　　VS/DR的工作流程

　　VS/DR的工作流程如圖所示：它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT和VS/TUN中的一樣，它的報文轉(zhuǎn)發(fā)方法又有不同，將報文直接路由給目標服務(wù)器。在VS/DR中，調(diào)度器根據(jù)各個服務(wù)器的負載情況，動態(tài)地選擇一臺服務(wù)器，不修改也不封裝IP報文，而是將數(shù)據(jù)幀的MAC地址改為選出服務(wù)器的MAC地址，再將修改后的數(shù)據(jù)幀在與服務(wù)器組的局域網(wǎng)上發(fā)送。因為數(shù)據(jù)幀的MAC地址是選出的服務(wù)器，所以服務(wù)器肯定可以收到這個數(shù)據(jù)幀，從中可以獲得該IP報文。當服務(wù)器發(fā)現(xiàn)報文的目標地址VIP是在本地的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，服務(wù)器處理這個報文，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)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(yōu)點是服務(wù)器可以運行任何支持TCP/IP的操作系統(tǒng)，它只需要一個IP地址配置在調(diào)度器上，服務(wù)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(wù)器結(jié)點數(shù)目升到20時，調(diào)度器本身有可能成為系統(tǒng)的新瓶頸，因為在VS/NAT中請求和響應(yīng)報文都需要通過負載調(diào)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(shè)TCP報文的平均長度為536 Bytes，則調(diào)度器的最大吞吐量為8.93 MBytes/s. 我們再假設(shè)每臺服務(wù)器的吞吐量為800KBytes/s，這樣一個調(diào)度器可以帶動10臺服務(wù)器。（注：這是很早以前測得的數(shù)據(jù)）

　　基于 VS/NAT的的集群系統(tǒng)可以適合許多服務(wù)器的性能要求。如果負載調(diào)度器成為系統(tǒng)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(tǒng)中，有若干個VS/NAT負調(diào)度器，每個負載調(diào)度器帶自己的服務(wù)器集群，同時這些負載調(diào)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(tǒng)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(shù)據(jù)中傳送的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需要編寫相應(yīng)的應(yīng)用模塊來轉(zhuǎn)換報文數(shù)據(jù)中的IP地址或者端口號。這會帶來實現(xiàn)的工作量，同時應(yīng)用模塊檢查報文的開銷會降低系統(tǒng)的吞吐率。

　　Virtual Server via IP Tunneling

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

　　Virtual Server via Direct Routing

　　跟VS/TUN方法一樣，VS/DR調(diào)度器只處理客戶到服務(wù)器端的連接，響應(yīng)數(shù)據(jù)可以直接從獨立的網(wǎng)絡(luò)路由返回給客戶。這可以極大地提高LVS集群系統(tǒng)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(diào)度器與實際服務(wù)器都有一塊網(wǎng)卡連在同一物理網(wǎng)段上，服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（或者設(shè)備別名）不作ARP響應(yīng)，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(shù)的優(yōu)缺點歸納以下表：

　　注：以上三種方法所能支持最大服務(wù)器數(shù)目的估計是假設(shè)調(diào)度器使用100M網(wǎng)卡，調(diào)度器的硬件配置與后端服務(wù)器的硬件配置相同，而且是對一般Web服務(wù)。使 用更高的硬件配置（如千兆網(wǎng)卡和更快的處理器）作為調(diào)度器，調(diào)度器所能調(diào)度的服務(wù)器數(shù)量會相應(yīng)增加。當應(yīng)用不同時，服務(wù)器的數(shù)目也會相應(yīng)地改變。所以，以上數(shù)據(jù)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(diào)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(wù)器。當其中某個服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務(wù)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(yīng)最快的服務(wù)器。當其中某個服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務(wù)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(shù)目和響應(yīng)時間以這兩項的最佳平衡為依據(jù)為新的請求選擇服務(wù)器。當其中某個服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP就把其從服務(wù)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(wù)器當前的性能指標，進行預測分析，選擇一臺服務(wù)器在下一個時間片內(nèi)，其性能將達到最佳的服務(wù)器相應(yīng)用戶的請求。(被BIG-IP 進行檢測)

　　5）動態(tài)性能分配(Dynamic Ratio-APM)：BIG-IP 收集到的應(yīng)用程序和應(yīng)用服務(wù)器的各項性能參數(shù)，動態(tài)調(diào)整流量分配。

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

　　7）服務(wù)質(zhì)量(QoS）：按不同的優(yōu)先級對數(shù)據(jù)流進行分配。

　　8）服務(wù)類型(ToS)： 按不同的服務(wù)類型（在Type of Field中標識）負載均衡對數(shù)據(jù)流進行分配。

　　9)規(guī)則模式：針對不同的數(shù)據(jù)流設(shè)置導向規(guī)則，用戶可自行。

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