LVS三種負(fù)載均衡方式的比較

本篇內(nèi)容介紹了“LVS三種負(fù)載均衡方式的比較”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

1、什么是LVS？

首先簡(jiǎn)單介紹一下LVS (Linux Virtual Server)到底是什么東西，其實(shí)它是一種集群(Cluster)技術(shù)，采用IP負(fù)載均衡技術(shù)和基于內(nèi)容請(qǐng)求分發(fā)技術(shù)。調(diào)度器具有很好的吞吐率，將請(qǐng)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(dòng)屏蔽掉服務(wù)器的故障，從而將一組服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)高性能的、高可用的虛擬服務(wù)器。整個(gè)服務(wù)器集群的結(jié)構(gòu)對(duì)客戶是透明的，而且無(wú)需修改客戶端和服務(wù)器端的程序。

為此，在設(shè)計(jì)時(shí)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(lái)說(shuō)，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(fù)載調(diào)度器（load balancer/ Director），它是整個(gè)集群對(duì)外面的前端機(jī)，負(fù)責(zé)將客戶的請(qǐng)求發(fā)送到一組服務(wù)器上執(zhí)行，而客戶認(rèn)為服務(wù)是來(lái)自一個(gè)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(qǐng)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(chǔ)（shared storage），它為服務(wù)器池提供一個(gè)共享的存儲(chǔ)區(qū)，這樣很容易使得服務(wù)器池?fù)碛邢嗤膬?nèi)容，提供相同的服務(wù)。

3、LVS負(fù)載均衡方式:

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

VS/NAT是一種最簡(jiǎn)單的方式，所有的RealServer只需要將自己的網(wǎng)關(guān)指向Director即可?？蛻舳丝梢允侨我獠僮飨到y(tǒng)，但此方式下，一個(gè)Director能夠帶動(dòng)的RealServer比較有限。在VS/NAT的方式下，Director也可以兼為一臺(tái)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(gè)IP報(bào)文封裝在另一個(gè)IP報(bào)文的技術(shù)，這可以使得目標(biāo)為一個(gè)IP地址的數(shù)據(jù)報(bào)文能被封裝和轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)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(dòng)主機(jī)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(gè)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(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方法不同。調(diào)度器根據(jù)各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地選擇一臺(tái)服務(wù)器，將請(qǐng)求報(bào)文封裝在另一個(gè)IP報(bào)文中，再將封裝后的IP報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給選出的服務(wù)器；服務(wù)器收到報(bào)文后，先將報(bào)文解封獲得原來(lái)目標(biāo)地址為 VIP 的報(bào)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(gè)請(qǐng)求，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)報(bào)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(guò)改寫請(qǐng)求報(bào)文中的MAC地址部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Director和RealServer必需在物理上有一個(gè)網(wǎng)卡通過(guò)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(duì)外可見，而RealServer的VIP對(duì)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(shí)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(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方法又有不同，將報(bào)文直接路由給目標(biāo)服務(wù)器。在VS/DR中，調(diào)度器根據(jù)各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地選擇一臺(tái)服務(wù)器，不修改也不封裝IP報(bào)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?yàn)閿?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(gè)數(shù)據(jù)幀，從中可以獲得該IP報(bào)文。當(dāng)服務(wù)器發(fā)現(xiàn)報(bào)文的目標(biāo)地址VIP是在本地的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，服務(wù)器處理這個(gè)報(bào)文，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)報(bào)文直接返回給客戶。

4、三種負(fù)載均衡方式比較：

◆Virtual Server via NAT

VS/NAT 的優(yōu)點(diǎn)是服務(wù)器可以運(yùn)行任何支持TCP/IP的操作系統(tǒng)，它只需要一個(gè)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(diǎn)是它的伸縮能力有限，當(dāng)服務(wù)器結(jié)點(diǎn)數(shù)目升到20時(shí)，調(diào)度器本身有可能成為系統(tǒng)的新瓶頸，因?yàn)樵赩S/NAT中請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文都需要通過(guò)負(fù)載調(diào)度器。我們?cè)赑entium166 處理器的主機(jī)上測(cè)得重寫報(bào)文的平均延時(shí)為60us，性能更高的處理器上延時(shí)會(huì)短一些。假設(shè)TCP報(bào)文的平均長(zhǎng)度為536 Bytes，則調(diào)度器的最大吞吐量為8.93 MBytes/s. 我們?cè)偌僭O(shè)每臺(tái)服務(wù)器的吞吐量為800KBytes/s，這樣一個(gè)調(diào)度器可以帶動(dòng)10臺(tái)服務(wù)器。（注：這是很早以前測(cè)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(fù)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(gè)問(wèn)題：混合方法、VS/TUN和 VS/DR。在DNS混合集群系統(tǒng)中，有若干個(gè)VS/NAT負(fù)調(diào)度器，每個(gè)負(fù)載調(diào)度器帶自己的服務(wù)器集群，同時(shí)這些負(fù)載調(diào)度器又通過(guò)RR-DNS組成簡(jiǎn)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(duì)于那些將IP地址或者端口號(hào)在報(bào)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(lái)轉(zhuǎn)換報(bào)文數(shù)據(jù)中的IP地址或者端口號(hào)。這會(huì)帶來(lái)實(shí)現(xiàn)的工作量，同時(shí)應(yīng)用模塊檢查報(bào)文的開銷會(huì)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(fù)載調(diào)度器只將請(qǐng)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(fù)載調(diào)度器就可以處理大量的請(qǐng)求，它甚至可以調(diào)度百臺(tái)以上的服務(wù)器（同等規(guī)模的服務(wù)器），而它不會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸。即使負(fù)載調(diào)度器只有100Mbps的全雙工網(wǎng)卡，整個(gè)系統(tǒng)的最大吞吐量可超過(guò) 1Gbps。所以，VS/TUN可以極大地增加負(fù)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(tái)服務(wù)器，而它本身不會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸，可以用來(lái)構(gòu)建高性能的超級(jí)服務(wù)器。VS/TUN技術(shù)對(duì)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(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，我們沒(méi)對(duì)其他操作系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)椤癐P Tunneling”正成為各個(gè)操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以VS/TUN應(yīng)該會(huì)適用運(yùn)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(dú)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(méi)有IP隧道的開銷，但是要求負(fù)載調(diào)度器與實(shí)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(bào)文重定向（Redirect）到本地的Socket端口上。

三種LVS負(fù)載均衡技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)歸納以下表：

image.png

注：以上三種方法所能支持最大服務(wù)器數(shù)目的估計(jì)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(duì)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(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)應(yīng)用不同時(shí)，服務(wù)器的數(shù)目也會(huì)相應(yīng)地改變。所以，以上數(shù)據(jù)估計(jì)主要是為三種方法的伸縮性進(jìn)行量化比較。

5、lvs的負(fù)載調(diào)度算法 在內(nèi)核中的連接調(diào)度算法上，IPVS已實(shí)現(xiàn)了以下八種調(diào)度算法：

◆一 輪叫調(diào)度（Round-Robin Schedul ing   ）

輪叫調(diào)度（Round Robin Scheduling）算法就是以輪叫的方式依次將請(qǐng)求調(diào)度不同的服務(wù)器，即每次調(diào)度執(zhí)行i=(i+1)mod n，并選出第i臺(tái)服務(wù)器。算法的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)潔性，它無(wú)需記錄當(dāng)前所有連接的狀態(tài)，所以它是一種無(wú)狀態(tài)調(diào)度。

◆二 加權(quán)輪叫調(diào)度（Weighted Round-Robin Scheduling   ）

加權(quán)輪叫調(diào)度 （Weighted Round-Robin Scheduling）算法可以解決服務(wù)器間性能不一的情況，它用相應(yīng)的權(quán)值表示服務(wù)器的處理性能，服務(wù)器的缺省權(quán)值為1。假設(shè)服務(wù)器A的權(quán)值為1，B的權(quán)值為2，則表示服務(wù)器B的處理性能是A的兩倍。

加權(quán)輪叫調(diào)度算法是按權(quán)值的高 低和輪叫方式分配請(qǐng)求到各服務(wù)器。權(quán)值高的服務(wù)器先收到的連接，權(quán)值高的服 務(wù)器比權(quán)值低的服務(wù)器處理更多的連接，相同權(quán)值的服務(wù)器處理相同數(shù)目的連接數(shù)。

◆三 最小連接調(diào)度（Least-Connect ion Schedul ing   ）

最小連接調(diào)度（Least- Connect ion Scheduling）算法是把新的連接請(qǐng)求分配到當(dāng)前連接數(shù)最小的服務(wù)器。最小連接調(diào)度是一種動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，它通過(guò)服務(wù)器當(dāng)前所活躍的連接數(shù)來(lái)估計(jì)服務(wù)器的負(fù)載情況。調(diào)度器需要記錄各個(gè)服務(wù)器已建立連接的數(shù)目，當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求被調(diào)度到某臺(tái)服務(wù)器，其連接數(shù)加1；當(dāng)連接中止或超時(shí)，其連接數(shù)減一。

◆四 加權(quán)最小連接調(diào)度（Weighted Least-Connectio n Scheduling）

加權(quán)最小連接調(diào) 度（Weighted Least-Connectio n Scheduling）算法是最小連接調(diào)度的超集，各個(gè)服務(wù)器用相應(yīng)的權(quán)值表示其處理性能。服務(wù)器的缺省權(quán)值為1，系統(tǒng)管理員可以動(dòng)態(tài)地設(shè)置服務(wù)器的權(quán)值。加權(quán)最小連接調(diào)度在調(diào)度新連接時(shí)盡可能使服務(wù)器的已建立連接數(shù)和其權(quán)值成比例。

◆五 基于局部性的最少鏈接（Locality-Based Least Connections Schedulin g   ）

基于局部性的最少鏈接調(diào)度（Locality-Based Least Connections Scheduling，以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)BLC）算法是針對(duì)請(qǐng)求報(bào)文的目標(biāo)IP地址的負(fù)載均衡調(diào)度，目前主要用于Cache集群系統(tǒng)，因?yàn)樵贑ache集群中客戶請(qǐng)求報(bào)文的目標(biāo)IP地址是變化的。這里假設(shè)任何后端服務(wù)器都可以處理任一請(qǐng)求，算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在服務(wù)器的負(fù)載基本平衡情況下，將相同目標(biāo)IP地址的請(qǐng)求調(diào)度到同一臺(tái)服務(wù)器，來(lái)提高各臺(tái)服務(wù)器的訪問(wèn)局部性和主存Cache命中率，從而整個(gè)集群系統(tǒng)的處理能力。

LBLC調(diào)度算法先根據(jù)請(qǐng)求的目標(biāo)IP   地址 找出該目標(biāo)IP地址最近使用的服務(wù)器，若該服務(wù)器是可用的且沒(méi)有超載，將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器；若服務(wù)器不存在，或者該服務(wù)器超載且有服務(wù)器處于其一半的工 作負(fù)載，則用“最少鏈接”的原則選出一個(gè)可用的服務(wù)器，將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器。

◆六 帶復(fù)制的基于局部性最少鏈接（Locality-Based Least Connectio ns with Replication Scheduling）

帶復(fù)制的基于局部性最少鏈接調(diào)度（Locality-Based Least Connectio ns with Replication Scheduling，以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)BLCR）算法也是針對(duì)目標(biāo)IP地址的負(fù)載均衡，目前主要用于Cache集群系統(tǒng)。

它與LBLC算法的不同之處是它要 維護(hù)從一個(gè)目標(biāo)IP地址到一組服務(wù)器的映射，而LBLC算法維護(hù)從一個(gè)目標(biāo)IP地址到一臺(tái)服務(wù)器的映射。對(duì)于一個(gè)“熱門”站點(diǎn)的服務(wù)請(qǐng)求，一臺(tái)Cache 服務(wù)器可能會(huì)忙不過(guò)來(lái)處理這些請(qǐng)求。這時(shí)，LBLC調(diào)度算法會(huì)從所有的Cache服務(wù)器中按“最小連接”原則選出一臺(tái)Cache服務(wù)器，映射該“熱門”站點(diǎn)到這臺(tái)Cache服務(wù)器，很快這臺(tái)Cache服務(wù)器也會(huì)超載，就會(huì)重復(fù)上述過(guò)程選出新的Cache服務(wù)器。

這樣，可能會(huì)導(dǎo)致該“熱門”站點(diǎn)的映像會(huì)出現(xiàn) 在所有的Cache服務(wù)器上，降低了Cache服務(wù)器的使用效率。LBLCR調(diào)度算法將“門站”點(diǎn)映射到一組Cache服務(wù)器（服務(wù)器集合），當(dāng)該“熱門”站點(diǎn)的請(qǐng)求負(fù)載增加時(shí)，會(huì)增加集合里的Cache服務(wù)器，來(lái)處理不斷增長(zhǎng)的負(fù)載；當(dāng)該“熱門”站點(diǎn)的請(qǐng)求負(fù)載降低時(shí)，會(huì)減少集合里的Cache服務(wù)器 數(shù)目。這樣，該熱門站點(diǎn)的映像不可能出現(xiàn)在所有的Cache服務(wù)器上，從而提供Cache集群系統(tǒng)的使用效率。

LBLCR算法先根據(jù)請(qǐng)求的目標(biāo)IP 地址找出該目標(biāo)IP地址對(duì)應(yīng)的服務(wù)器組；按“最小連接”原則從該服務(wù)器組中選出一臺(tái)服務(wù)器，若服務(wù)器沒(méi)有超載，將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器；若服務(wù)器超載；則按“最小連接”原則從整個(gè)集群中選出一臺(tái)服務(wù)器，將該服務(wù)器加入到服務(wù)器組中，將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器。同時(shí)，當(dāng)該服務(wù)器組有一段時(shí)間沒(méi)有被修改，將最忙的服 務(wù)器從服務(wù)器組中刪除，以降低復(fù)制的程度。

◆七 目標(biāo)地址散列調(diào)度（Destinat ion Hashing Scheduling   ）

目標(biāo)地址散列調(diào)度 （Destinat ion Hashing Scheduling）算法也是針對(duì)目標(biāo)IP地址的負(fù)載均衡，但它是一種靜態(tài)映射算法，通過(guò)一個(gè)散列（Hash）函數(shù)將一個(gè)目標(biāo)IP地址映射到一臺(tái)服務(wù)器。目標(biāo)地址散列調(diào)度算法先根據(jù)請(qǐng)求的目標(biāo)IP地址，作為散列鍵（Hash Key）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)器是可用的且未超載，將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器，否則返回空。

◆八 源地址散列調(diào)度（Source Hashing Scheduling）

源地址散列調(diào)度（Source Hashing Scheduling）算法正好與目標(biāo)地址散列調(diào)度算法相反，它根據(jù)請(qǐng)求的源IP地址，作為散列鍵（Hash Key）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)器是可用的且未超載，將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器，否則返回空。它采用的散列函數(shù)與目標(biāo)地址散列調(diào)度算法 的相同。它的算法流程與目標(biāo)地址散列調(diào)度算法的基本相似，除了將請(qǐng)求的目標(biāo)IP地址換成請(qǐng)求的源IP   地址，所以這里不一一敘述。在實(shí)際應(yīng)用中，源地址散列 調(diào)度和目標(biāo)地址散列調(diào)度可以結(jié)合使用在防火墻集群中，它們可以保證整個(gè)系統(tǒng)的唯一出入口。

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