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LVS，全稱(chēng) Linux Virtual Server，是章文嵩博士發(fā)起的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目。在社區(qū)具有很大的熱度，是一個(gè)基于四層、性能極高的反向代理服務(wù)器。至于什么是反向代理，這里就不作詳細(xì)介紹了，如果不了解可以先去閱讀反向代理相關(guān)的資料。

LVS工作原理

下面先介紹一下 LVS 的工作原理。

LVS的工作模式分為三種：NAT模式（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）、DR模式（直接路由）?和?TUN模式（IP隧道）。

下面將詳細(xì)介紹每種工作模式的運(yùn)行原理。

名詞解析：
Director服務(wù)器：直接接收用戶請(qǐng)求的服務(wù)器，是LVS的入口。
Real-Server服務(wù)器：真實(shí)服務(wù)器，用于處理用戶請(qǐng)求的服務(wù)器。
虛擬IP（VIP）：對(duì)外網(wǎng)暴露的 IP 地址，客戶端可以通過(guò) VIP 訪問(wèn) LVS 集群。

1. NAT模式

NAT模式?的運(yùn)行方式如下圖：

請(qǐng)求過(guò)程說(shuō)明：

client?發(fā)送請(qǐng)求到?LVS?的?VIP?上，Director?服務(wù)器首先根據(jù)?client?的 IP 和端口從連接信息表中查詢(xún)是否已經(jīng)存在，如果存在就直接使用當(dāng)前連接進(jìn)行處理。否則根據(jù)負(fù)載算法選擇一個(gè)?Real-Server（真正提供服務(wù)的服務(wù)器），并記錄連接到連接信息表中，然后把?client?請(qǐng)求的目的 IP 地址修改為?Real-Server?的地址，將請(qǐng)求發(fā)給?Real-Server。
Real-Server?服務(wù)器收到請(qǐng)求包后，發(fā)現(xiàn)目的 IP 是自己的 IP，于是處理請(qǐng)求，然后發(fā)送回復(fù)給?Director?服務(wù)器。
Director?服務(wù)器收到回復(fù)包后，修改回復(fù)包的源地址為VIP，發(fā)送給?client。

上圖中的藍(lán)色連接線表示請(qǐng)求的數(shù)據(jù)流向，而紅色連接線表示回復(fù)的數(shù)據(jù)流向。由于進(jìn)出流量都需要經(jīng)過(guò)?Director?服務(wù)器，所以?Director?服務(wù)器可能會(huì)成功瓶頸。

下面通過(guò)一幅圖來(lái)說(shuō)明一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包在 LVS 服務(wù)器中的地址變化情況：

下面解釋一下請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的地址變化過(guò)程：

client 向 LVS 集群發(fā)起請(qǐng)求，源IP地址和源端口為：192.168.11.100:11021，而目標(biāo)IP地址和端口為：192.168.10.10:80。當(dāng)?Director?服務(wù)器接收到 client 的請(qǐng)求后，會(huì)根據(jù)調(diào)度算法選擇一臺(tái)合適的?Real-Server?服務(wù)器，并且把請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP地址和端口改為?Real-Server?服務(wù)器的IP地址和端口，并記錄連接信息到連接信息表中，如上圖選擇的?Real-Server?服務(wù)器的IP地址和端口為：192.168.1.2:80。
當(dāng)?Real-Server?服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行處理，處理完后會(huì)把數(shù)據(jù)包的源IP地址和端口跟目標(biāo)IP地址和端口交互，然后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)?192.168.1.1（也就是?Director?服務(wù)器）。
Director?服務(wù)器接收到來(lái)自?Real-Server?服務(wù)器的回復(fù)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)連接信息把源IP地址更改為虛擬IP地址。

由于?Real-Server?服務(wù)器需要把?Director?服務(wù)器設(shè)置為網(wǎng)關(guān)，所以?Director?服務(wù)器與?Real-Server?服務(wù)器需要部署在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下。

2. DR模式

DR模式?的運(yùn)行方式如下圖：

請(qǐng)求過(guò)程說(shuō)明：

client?發(fā)送請(qǐng)求到?LVS?的?VIP?上，Director?服務(wù)器首先根據(jù) client 的 IP 和端口從連接信息表中查詢(xún)是否已經(jīng)存在，如果存在就直接使用當(dāng)前連接進(jìn)行處理。否則根據(jù)負(fù)載算法選擇一個(gè)?Real-Server（真正提供服務(wù)的服務(wù)器），并記錄連接到連接信息表中，然后通過(guò)修改請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的目標(biāo) MAC 地址為?Real-Server?服務(wù)器的 MAC 地址（注意：IP地址不修改），并通過(guò)局域網(wǎng)把數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。
由于?Director?服務(wù)器與?Real-Server?服務(wù)器在同一局域網(wǎng)中，所以通過(guò)數(shù)據(jù)包的目標(biāo) MAC 地址可以找到對(duì)應(yīng)的?Real-Server?服務(wù)器（以太網(wǎng)協(xié)議），而?Real-Server?服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。
Real-Server?服務(wù)器處理完請(qǐng)求后，把處理結(jié)果直接發(fā)送給?client，而不會(huì)通過(guò)?Director?服務(wù)器。

注意：Real-Server?服務(wù)器必須設(shè)置回環(huán)設(shè)備的 IP 地址為 VIP 地址，因?yàn)槿绻辉O(shè)置 VIP，那么?Real-Server?服務(wù)器會(huì)認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給本機(jī)的，從而丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)包。

下面通過(guò)一幅圖來(lái)說(shuō)明一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包在 LVS 服務(wù)器中的地址變化情況：

下面解釋一下請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的地址變化過(guò)程：

client 向 LVS 集群發(fā)起請(qǐng)求，源IP地址和源端口為：192.168.11.100:11021，而目標(biāo)IP地址和端口為：192.168.10.10:80。當(dāng)?Director?服務(wù)器接收到 client 的請(qǐng)求后，會(huì)根據(jù)調(diào)度算法選擇一臺(tái)合適的?Real-Server?服務(wù)器，并且把請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的目標(biāo) MAC 地址改為?Real-Server?服務(wù)器的 MAC 地址，并記錄連接信息到連接信息表中，然后通過(guò)局域網(wǎng)把數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。
當(dāng)?Real-Server?服務(wù)器處理完請(qǐng)求后，會(huì)把處理結(jié)果直接發(fā)送給?client。如果?Real-Server?服務(wù)器與?client?在同一個(gè)局域網(wǎng)，那么直接通過(guò)把目標(biāo) MAC 地址修改為?client?的 MAC 地址。否則，通過(guò)把目標(biāo) MAC 地址修改為路由器的 MAC 地址，然后通過(guò)路由器發(fā)送出去。

從上圖可以看出，整個(gè)請(qǐng)求過(guò)程中，數(shù)據(jù)包只有 MAC 地址發(fā)生變化。另外，由于?DR模式?只有入口需要經(jīng)過(guò)?Director?服務(wù)器，而出口不需要經(jīng)過(guò)?Director?服務(wù)器，所以性能比?NAT模式?要高。

3. TUN模式

TUN模式?比較復(fù)雜一些，并且國(guó)內(nèi)使用得比較少，所以這里就不作介紹，有興趣自己查閱相關(guān)資料。

調(diào)度算法

上面介紹了 LVS 的工作模式，下面介紹一下 LVS 的調(diào)度算法。

由于 LVS 需要選擇合適的?Real-Server（RS）?服務(wù)器處理請(qǐng)求，所以需要根據(jù)不同的需求選擇不同的調(diào)度算法來(lái)選擇?Real-Server?服務(wù)器。LVS 的調(diào)度算法主要有以下幾種：

1. 輪詢(xún)調(diào)度（Round-Robin,RR）

最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，按照順序?qū)⒄?qǐng)求依次轉(zhuǎn)發(fā)給后端的RS。大部分情況下，RS的性能狀態(tài)都是各不一致的，這種算法顯然無(wú)法滿足合理利用資源的要求。

2. 帶權(quán)重的輪詢(xún)調(diào)度（Weighted Round-Robin,WRR）

在輪詢(xún)算法的基礎(chǔ)上加上權(quán)重設(shè)置，權(quán)重越高的RS被分配到的請(qǐng)求越多。適用于按照服務(wù)器性能高低，配置不同的權(quán)重，以達(dá)到合理的資源利用。

3. 最小連接調(diào)度（Least-Connection, LC）

把新的請(qǐng)求分配給連接數(shù)最少的RS。連接數(shù)少說(shuō)明服務(wù)器空閑。

4. 帶權(quán)重的最小連接調(diào)度（Weight Least-Connection, WLC）

在最小連接算法的基礎(chǔ)上加上權(quán)重設(shè)置，這樣可以人為地控制請(qǐng)求分配。

5. 基于局部性的最小連接調(diào)度（Locality-Based Least Connection, LBLC）

針對(duì)請(qǐng)求報(bào)文目標(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。

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，提升整個(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“最小連接”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。

6. 帶復(fù)制的基于局部性最小連接調(diào)度（Locality-Based Least Connections with Replication, LBLCR）

也是針對(duì)請(qǐng)求報(bào)文目標(biāo)IP地址的負(fù)載均衡調(diào)度，與LBLC算法不同之處：LBLC維護(hù)一個(gè)目標(biāo)IP到一臺(tái)服務(wù)器的映射，而LBLCR則需要維護(hù)一個(gè)目標(biāo)IP到一組服務(wù)器的映射。

LBLCR調(diào)度算法先根據(jù)請(qǐng)求的目標(biāo)IP地址找到對(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，則將請(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)組中，將請(qǐng)求發(fā)送給這臺(tái)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。

7. 目標(biāo)地址散列調(diào)度（Destination Hashing, DH）

也是針對(duì)請(qǐng)求報(bào)文目標(biāo)IP地址的負(fù)載均衡調(diào)度，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。DH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)器是可用的且為超載，將請(qǐng)求發(fā)送到該服務(wù)器，否則返回空。

8. 源地址散列調(diào)度（Source Hashing, SH）

該算法正好與DH調(diào)度算法相反，它根據(jù)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。算法流程與目標(biāo)地址散列調(diào)度算法基本相似，只不過(guò)將請(qǐng)求的目標(biāo)IP地址換成請(qǐng)求的源IP地址。

總結(jié)

本文主要簡(jiǎn)單的介紹了 LVS 的運(yùn)行原理與調(diào)度算法，更多相關(guān)的資料可以查閱參考鏈接，而 LVS 的實(shí)現(xiàn)部分將會(huì)在另外一篇文章介紹。

參考鏈接：

http://www.linuxvirtualserver.org/Documents.html

http://www.linuxvirtualserver.org/VS-NAT.html

http://www.linuxvirtualserver.org/VS-DRouting.html

http://www.linuxvirtualserver.org/VS-IPTunneling.html

https://blog.51cto.com/blief/1745134

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