LVS概念、组成部分及IPVS三大负载均衡技术-创新互联

下文给大家带来LVS概念、组成部分及IPVS三大负载均衡技术，希望能够给大家在实际运用中带来一定的帮助，负载均衡涉及的东西比较多，理论也不多，网上有很多书籍，今天我们就用创新互联在行业内累计的经验来做一个解答。

• 什么是LVS

• LVS主要组成部分

• IPVS三大负载均衡技术

什么是LVS

LVS针对高可伸缩、高可用网络服务的需求，给出了基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法，并在Linux内核中实现了这些方法，将一组云服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。

一组服务器通过高速的局域网和地理分布的广域网相互连接，在它们的前端有一个负载调度器（Load Balancer）。负载调度器能无缝地将网络请求调度到真实服务器上，从而使得服务器集群的结构对客户是透明的，客户访问集群系统提供的网络服务就像访问一台高性能、高可用的服务器一样。客户程序不受服务器集群的影响不需作任何修改。系统的伸缩性通过在服务机群中透明地加入和删除一个节点来达到，通过检测节点或服务进程故障和正确地重置系统达到高可用性。由于我们的负载调度技术是在Linux内核中实现的，我们称之为Linux虚拟服务器（Linux Virtual Server）。

Linux Virtual Server项目的目标 ：使用集群技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器，它具有很好的可伸缩性（Scalability）、可靠性（Reliability）和可管理性（Manageability）。

目前，LVS项目已提供了一个实现可伸缩网络服务的Linux Virtual Server框架。在LVS框架中，提供了含有三种"IP负载均衡技术"的IP虚拟服务器软件"IPVS"、"基于内容请求分发的内核Layer-7交 换机KTCPVS"和"集群管理软件"。可以利用LVS框架实现高可伸缩的、高可用的Web、Cache、Mail和Media等网络服务；在此基础上，可以开 发支持庞大用户数的、高可伸缩的、高可用的电子商务应用。

LVS主要组成部分

1）负载调度器

英文名称叫"load balancer"或者"Director"，它是整个集群对外的前端机，负责将客户的请求发送到一组服务器上执行，而客户认为服务是来自一个IP地址(我们可称之为虚拟IP地址VIP)上的。

2）服务器池

"server pool/ Realserver"，是一组真正执行客户请求的服务器，执行的服务一般有WEB、MAIL、FTP和DNS等。

3）共享存储

"shared storage"，它为服务器池提供一个共享的存储区，这样很容易使得服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务。

3 IPVS三大负载均衡技术

在调度器的实现技术中，IP负载均衡技术是效率高的。在已有的IP负载均衡技术中有通过网络地址转换（Network Address Translation）将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器，我们称之为VS/NAT技术（Virtual Server via Network Address Translation），大多数商品化的IP负载均衡调度器产品都是使用此方法，如Cisco的LocalDirector、F5的Big/IP和 Alteon的ACEDirector。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上，我们提出通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN （Virtual Server via IP Tunneling），和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR（Virtual Server via Direct Routing），它们可以极大地提高系统的伸缩性。所以，IPVS软件实现了这三种IP负载均衡技术，它们的大致原理如下

【VS/NAT】

他是"Virtual Server via Network Address Translation"的英文缩写。通过网络地址转换，调度器重写请求报文的目标地址，根据预设的调度算法，将请求分派给后端的真实服务器；真实服务器的响应报文通过调度器时，再将报文的源地址进行重写，再返回给客户，完成整个负载调度过程。在VS/NAT的方式下，Director也可以兼为一台RealServer。VS/NAT的工作原理图如下：

举例说明报文地址转换过程，如下图：

以web服务为例，访问Web服务的报文可能有以下的源地址和目标地址：

调度器从调度列表中选出一台服务器，例如是172.18.14.55:80。该报文会被改写为如下地址，并将它发送给选出的服务器。

从服务器返回到调度器的响应报文如下：

响应报文的源地址会被改写为虚拟服务的地址，再将报文发送给客户：

这样，客户认为是从200.203.100.6：80服务得到正确的响应，而不会知道该请求是由哪个服务器去处理的。

|VS/NAT的一些要点|：

RIP和DIP通常在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP；非同一网络，应该做好网关指向，保持链路畅通。

VS/NAT是一种最简单的方式，所有的RealServer只需要将自己的网关指向Director即可

请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈

支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT

VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统

【VS/TUN】

他是"Virtual Server via IP Tunneling"缩写。IP隧道(IP tunneling)是将一个IP报文封装在另一个IP报文的技术，这可以使得目标为一个IP地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP地址。IP隧道技术亦称为IP封装技术(IP encapsulation)。 VS/TUN结构图如下：

IP隧道主要用于移动主机和虚拟私有网络(Virtual Private Network)，在其中隧道都是静态建立的，隧道一端有一个IP地址，另一端也有唯一的IP地址。它的连接调度和管理与"VS/NAT"中的一样，只是它的报文转发方法不同。调度器根据各个服务器的负载情况，动态地选择一台服务器，将请求报文封装在另一个IP报文中，再将封装后的IP报文转发给选出的服务器;服务器收到报文后，先将报文解封获得原来目标地址为 VIP 的报文，服务器发现VIP地址被配置在本地的IP隧道设备上，所以就处理这个请求，然后根据路由表将响应报文直接返回给客户。

采用NAT技术时，由于请求和响应报文都必须经过调度器地址重写，当客户请求越来越多时，调度器的处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题，调度器把请求报文通过IP隧道转发至真实服务器，而真实服务器将响应直接返回给客户，所以调度器只处理请求报文。由于一般网络服务应答比请求报文大许多，采用 VS/TUN技术后，集群系统的大吞吐量可以提高10倍。

【VS/DR】

VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到真实服务器，而真实服务器将响应直接返回给客户。同VS/TUN技术一样，VS/DR技术可极大地提高集群系统的伸缩性。这种方法没有IP隧道的开销，对集群中的真实服务器也没有必须支持IP隧道协议的要求，但是要求调度器(Director)与真实服务器(RealServer)都有一块网卡连在同一物理网段上。RealServer上绑定的VIP配置在各自Non-ARP的网络设备上(如lo或tunl),Director的VIP地址对外可见，而RealServer的VIP对外是不可见的。RealServer的地址即可以是内部地址，也可以是真实地址。VS/DR的结构图如下：

VS/DR工作过程详解：

它的连接调度和管理与VS/NAT和VS/TUN中的一样，它的报文转发方法又有不同，将报文直接路由给目标服务器。在VS/DR中，调度器根据各个服务器的负载情况，动态地选择一台服务器，不修改也不封装IP报文，而是将数据帧的MAC地址改为选出服务器的MAC地址，再将修改后的数据帧在与服务器组的局域网上发送。因为数据帧的MAC地址是选出的服务器，所以服务器肯定可以收到这个数据帧，从中可以获得该IP报文。当服务器发现报文的目标地址VIP是在本地的网络设备上，服务器处理这个报文，然后根据路由表将响应报文直接返回给客户。

IPVS三种负载均衡方式比较

1）Virtual Server via NAT

|VS/NAT 的优点|：

服务器可以运行任何支持TCP/IP的操作系统，它只需要一个IP地址配置在调度器上，服务器组可以用私有的IP地址。

|VS/NAT 的缺点|：

缺点是它的伸缩能力有限，当服务器结点数目升到20时，调度器本身有可能成为系统的新瓶颈，因为在VS/NAT中请求和响应报文都需要通过负载调度器。

对于那些将IP地址或者端口号在报文数据中传送的网络服务，需要编写相应的应用模块来转换报文数据中的IP地址或者端口号。这会带来实现的工作量，同时应用模块检查报文的开销会降低系统的吞吐率。

2）Virtual Server via IP Tunneling

在VS/TUN 的集群系统中，负载调度器只将请求调度到不同的后端服务器，后端服务器将应答的数据直接返回给用户。这样，负载调度器就可以处理大量的请求，它甚至可以调度百台以上的服务器(同等规模的服务器)，而它不会成为系统的瓶颈。即使负载调度器只有100Mbps的全双工网卡，整个系统的大吞吐量可超过 1Gbps。所以，VS/TUN可以极大地增加负载调度器调度的服务器数量。

VS/TUN调度器可以调度上百台服务器，而它本身不会成为系统的瓶颈，可以用来构建高性能的超级服务器。

VS/TUN技术对服务器有要求，即所有的服务器必须支持“IP Tunneling”或者“IP Encapsulation”协议。目前，VS/TUN的后端服务器主要运行Linux操作系统，我们没对其他操作系统进行测试。因为“IP Tunneling”正成为各个操作系统的标准协议，所以VS/TUN应该会适用运行其他操作系统的后端服务器。

3）Virtual Server via Direct Routing

跟VS/TUN方法一样，VS/DR调度器只处理客户到服务器端的连接，响应数据可以直接从独立的网络路由返回给客户。这可以极大地提高LVS集群系统的伸缩性。跟VS/TUN相比，这种方法没有IP隧道的开销，但是要求负载调度器与实际服务器都有一块网卡连在同一物理网段上，服务器网络设备(或者设备别名)不作ARP响应，或者能将报文重定向(Redirect)到本地的Socket端口上。

总结：三种LVS负载均衡技术的优缺点

看了以上关于LVS概念、组成部分及IPVS三大负载均衡技术，如果大家还有什么地方需要了解的可以在创新互联行业资讯里查找自己感兴趣的或者找我们的专业技术工程师解答的，创新互联技术工程师在行业内拥有十几年的经验了。

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