二、LVS 实现四层负载均衡项目实战

1、LVS 介绍

（1）LVS 是Linux Virtual Server的简称，也就是 Linux 虚拟服务器, 是一个由章文嵩博士发起的自由软件项目，它的官方站点是www.linuxvirtualserver.org。现在LVS已经是 Linux标准内核的一部分，因此性能较高。

（2）LVS软件作用：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器群集，它具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的服务性能。

2、LVS 优势与不足

1、优势

高并发连接：LVS基于内核网络层面工作，有超强的承载能力和并发处理能力。单台LVS负载均衡器，可支持上万并发连接。

稳定性强：是工作在网络4层之上仅作分发之用，这个特点也决定了它在负载均衡软件里的性能最强，稳定性最好，对内存和cpu资源消耗极低。

成本低廉：硬件负载均衡器少则十几万，多则几十万上百万，LVS只需一台服务器和就能免费部署使用，性价比极高。

配置简单：LVS配置非常简单，仅需几行命令即可完成配置，也可写成脚本进行管理。

支持多种算法：支持多种论调算法，可根据业务场景灵活调配进行使用

支持多种工作模型：可根据业务场景，使用不同的工作模式来解决生产环境请求处理问题。

应用范围广：因为LVS工作在4层，所以它几乎可以对所有应用做负载均衡，包括http、数据库、DNS、ftp服务等等

2、不足

工作在4层，不支持7层规则修改，机制过于庞大，不适合小规模应用。

3、LVS 核心组件和专业术语

1、核心组件

LVS的管理工具和内核模块 ipvsadm/ipvs

ipvsadm：用户空间的命令行工具，用于管理集群服务及集群服务上的RS等；

ipvs：工作于内核上的程序，可根据用户定义的集群实现请求转发；

2、专业术语

VS：Virtual Server #虚拟服务

Director, Balancer #负载均衡器、分发器

RS：Real Server #后端请求处理服务器

CIP: Client IP #用户端IP

VIP：Director Virtual IP #负载均衡器虚拟IP

DIP：Director IP #负载均衡器IP

RIP：Real Server IP #后端请求处理服务器IP

3、具体图解

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4、LVS负载均衡四种工作模式

LVS/NAT：网络地址转换模式，进站/出站的数据流量经过分发器(IP负载均衡，他修改的是IP地址) --利用三层功能
LVS/DR ：直接路由模式，只有进站的数据流量经过分发器(数据链路层负载均衡，因为他修改的是目的mac地址)--利用二层功能mac地址
LVS/TUN： 隧道模式，只有进站的数据流量经过分发器
LVS/full-nat:双向转换:通过请求报文的源地址为DIP，目标为RIP来实现转发：对于响应报文而言，修改源地址为VIP，目标地址为CIP来实现转发

5、LVS 四种工作模式原理、以及优缺点比较

1、NAT模式（LVS-NAT）（网络地址转换模式）

原理：就是把客户端发来的数据包的IP头的目的地址，在负载均衡器上换成其中一台RS的IP地址，并发至此RS来处理,RS处理完成后把数据交给经过负载均衡器,负载均衡器再把数据包的原IP地址改为自己的IP，将目的地址改为客户端IP地址即可｡期间,无论是进来的流量,还是出去的流量,都必须经过负载均衡器｡

优点：集群中的物理服务器可以使用任何支持TCP/IP操作系统，只有负载均衡器需要一个合法的IP地址。

缺点：扩展性有限。当服务器节点（普通PC服务器）增长过多时,负载均衡器将成为整个系统的瓶颈，因为所有的请求包和应答包的流向都经过负载均衡器。当服务器节点过多时，大量的数据包都交汇在负载均衡器那，速度就会变慢！

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2、直接路由(Direct routing)模式（LVS-DR）

原理：负载均衡器和RS都使用同一个IP对外服务｡但只有DR对ARP请求进行响应,所有RS对本身这个IP的ARP请求保持静默｡也就是说,网关会把对这个服务IP的请求全部定向给DR,而DR收到数据包后根据调度算法,找出对应的RS,把目的MAC地址改为RS的MAC（因为IP一致）并将请求分发给这台RS｡这时RS收到这个数据包,处理完成之后，由于IP一致，可以直接将数据返给客户，则等于直接从客户端收到这个数据包无异,处理后直接返回给客户端｡

优点：和TUN（隧道模式）一样，负载均衡器也只是分发请求，应答包通过单独的路由方法返回给客户端。与VS-TUN相比，VS-DR这种实现方式不需要隧道结构，因此可以使用大多数操作系统做为物理服务器。

缺点：（不能说缺点，只能说是不足）要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上。

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3、IP隧道(Tunnel)模式（LVS-TUN）

原理：互联网上的大多Internet服务的请求包很短小，而应答包通常很大。那么隧道模式就是，把客户端发来的数据包，封装一个新的IP头标记(仅目的IP)发给RS,RS收到后,先把数据包的头解开,还原数据包,处理后,直接返回给客户端,不需要再经过负载均衡器｡注意,由于RS需要对负载均衡器发过来的数据包进行还原,所以说必须支持IPTUNNEL协议｡所以,在RS的内核中,必须编译支持IPTUNNEL这个选项

优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，就能处理很巨大的请求量，这种方式，一台负载均衡器能够为很多RS进行分发。而且跑在公网上就能进行不同地域的分发。

缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持”IP Tunneling”(IP Encapsulation)协议，服务器可能只局限在部分Linux系统上。

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4、FULL-NAT模式

原理:客户端对VIP发起请求，Director接过请求发现是请求后端服务。Direcrot对请求报文做full-nat，把源ip改为Dip，把目标ip转换为任意后端RS的rip，然后发往后端，rs接到请求后，进行响应，相应源ip为Rip目标ip还是DIP，又内部路由路由到Director,Director接到响应报文，进行full-nat。将源地址为VIP，目标地址改为CIP

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请求使用DNAT，响应使用SNAT

6、四者的区别

lvs-nat与lvs-fullnat：	请求和响应报文都经由Director
lvs-nat：	RIP的网关要指向DIP
lvs-fullnat：	RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信
lvs-dr与lvs-tun：	请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
lvs-dr：	通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
lvs-tun：	通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信

6、LVS ipvsadm 命令的使用

1、LVS-server安装lvs管理软件

yum -y install ipvsadm

程序包：ipvsadm（LVS管理工具）

主程序：/usr/sbin/ipvsadm

规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save > /path/to/file

配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config

2、命令选项

-A --add-service #在服务器列表中新添加一条新的虚拟服务器记录
-s --scheduler #使用的调度算法， rr | wrr | lc | wlc | lblb | lblcr | dh | sh | sed | nq 默认调度算法是 wlc
例：ipvsadm -A -t 192.168.1.2:80 -s wrr

-a --add-server  #在服务器表中添加一条新的真实主机记录
-t --tcp-service #说明虚拟服务器提供tcp服务
-u --udp-service #说明虚拟服务器提供udp服务
-r --real-server #真实服务器地址
-m --masquerading #指定LVS工作模式为NAT模式
-w --weight #真实服务器的权值
-g --gatewaying #指定LVS工作模式为直接路由器模式（也是LVS默认的模式）
-i --ip #指定LVS的工作模式为隧道模式
-p #会话保持时间，定义流量呗转到同一个realserver的会话存留时间
例：ipvsadm -a -t 192.168.1.2:80 -r 192.168.2.10:80 -m -w 1

-E -edit-service #编辑内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-D -delete-service #删除内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-C -clear #清除内核虚拟服务器表中的所有记录。
-R -restore #恢复虚拟服务器规则
-S -save #保存虚拟服务器规则到标准输出，输出为-R 选项可读的格式
-e -edit-server #编辑一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-d -delete-server #删除一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-L|-l –list #显示内核虚拟服务器表

--numeric, -n：#以数字形式输出地址和端口号
--exact： #扩展信息，精确值 
--connection，-c： #当前IPVS连接输出
--stats： #统计信息
--rate ： #输出速率信息

参数也可以从/proc/net/ip_vs*映射文件中查看
-Z –zero #虚拟服务表计数器清零（清空当前的连接数量等）

实现LVS持久连接(了解)

1、定义

由于HTTP是一种无状态协议，每次请求完毕之后就立即断开了，当用户浏览购物网站挑选商品的时候，看到一件商品加入购物车，此过程被重定向到了REALSERVER1上面来，当把第二件商品加入购物车又被重定向到了REALSERVER2上面，最后结账的时候在REALSERVER2上面，只有一件商品，这显然是用户无法接受的，此时就需要一种持久连接机制，来把同一用户的HTTP请求在超时时间内都重定向到同一台REALSERVER，超时时间可以自己定义，比如说2个小时，在超时时间内服务器会不断追踪用户的访问请求，把某一用户的所有请求都转发到同一台REALSERVER上面

对于电子商务网站来说，用户在挑选商品的时候使用的是80端口来浏览的，当付款的时候则是通过443的ssl加密的方式，当然当用户挑选完商品付款的时候我们当然不希望https的443跳转到另外一台REALSERVER，很显然应该是同一REALSERVER才对，这时候就要用到基于防火墙标记的持久连接，通过定义端口的姻亲关系来实现

2、功能

无论ipvs使用何种scheduler，其都能够实现在指定时间范围内始终将来自同一个ip地址的请求发往同一个RS；此功能是通过lvs持久连接模板实现，其与调度方法无关；

iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.100.100 -p tcp --dport 80 -j MARK --set-mark 99

在iptables 打上标记，把80端口标记为99

 iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.100.100-p tcp --dport 443 -j MARK --set-mark 99

在iptables打上标记，把443端口标记为99

ipvsadm -A -f 99 -s rr -p

在lvs上建立基于99号标记的虚拟服务

ipvsadm -a -f 99 -r 172.16.100.2 -g

设置后端服务地址

ipvsadm -a -f 99 -r 172.16.100.3 -g

7、LVS 负载均衡集群企业级应用实战

业务需求

随着业务的发展，网站的访问量越来越大，网站访问量已经从原来的1000QPS，变为3000QPS，网站已经不堪重负，响应缓慢，面对此场景，单纯靠单台LNMP的架构已经无法承载更多的用户访问，此时需要用负载均衡技术，对网站容量进行扩充，来解决承载的问题。

考虑解决方案？

横向：scale out 对磁盘等资源

纵向：scale up 增加新的机器

1、环境准备

准备 3 台纯净的虚拟机，一台LVS，两台 web 服务器

2、LVS-server 安装lvs管理软件

[root@lvs-server ~]# yum -y install ipvsadm

ipvsadm启不启动都可以，但建议还是启动

程序包：ipvsadm（LVS管理工具）

主程序：/usr/sbin/ipvsadm

规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save > /path/to/file（ /etc/sysconfig/ipvsadm） (没有配置的话后面启动将会报错)

配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config

3、LVS/NAT模式

实验说明：

1. 虚拟机网络使用NAT模式
2. client、调度器、Real Server都使用虚拟机或使用真实服务器
3. 虚拟机上网卡使用半虚拟化驱动，如果半虚拟化驱动异常，可以使用default/rtl8139

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1、LVS/NAT网络拓朴

主机名	ip	系统	用途
client	192.168.0.105 桥接	Windows	客户端
lvs-server	192.168.0.108 桥接 192.168.72.130 仅主机	centos7.5	分发器
real-server1	192.168.72.128 仅主机	centos7.5	web1
real-server2	192.168.72.129 仅主机	centos7.5	web2

# 配置real-server （两服务器相同）
[root@real-server1 ~]# yum install httpd -y
[root@real-server1 ~]# echo lvs-web1 > /var/www/html/index.html
[root@real-server1 ~]# systemctl start httpd
[root@real-server1 ~]# ip route add default via 192.168.72.130  # 配置默认路由
网卡配置文件中有一条GATEWAY 就是永久指定网关的配置 

# 配置lvs-server  开启路由转发
[root@lvs-server ~]# vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
[root@lvs-server ~]# sysctl -p                          //确保打开路由转发
[root@lvs-server ~]# yum install ipvsadm -y
设置集群调度算法，（便于验证，此处使用轮询算法）：
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -A -t 192.168.0.108:80 -s rr
设置后端服务器：
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.108:80 -r 192.168.72.128:80 -m
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.108:80 -r 192.168.72.129:80 -m
查看ipvsadm规则：
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.0.108:80 rr
  -> 192.168.72.128:80            Masq    1      0          7         
  -> 192.168.72.129:80            Masq    1      0          7    
这些规则没有保存在配置文件，重启失效
# 做开启启动
[root@lvs-server ~]# systemctl enable ipvsadm
Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ipvsadm.service to /usr/lib/systemd/system/ipvsadm.service.
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -Ln
[root@lvs-server ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@lvs-server ~]# systemctl start ipvsadm

# 测试
[root@client ~]# elinks -dump http://192.168.0.108/
[root@client ~]# ab -c 1000 -n 1000 http://192.168.0.108/

4、LVS/DR 模式

lvs-03.png

1、实验说明：

1.DR模式要求Director DIP 和 所有RealServer RIP必须在同一个网段及广播域
2.所有节点网关均指定真实网关

主机名	ip	系统	用途
client	192.168.0.110	centos7.5	客户端
lvs_server	192.168.0.107	centos7.5	分发器
real_server1	192.168.0.108	centos7.5	web1
real_server2	192.168.0.019	centos7.5	web2
vip for dr	192.168.0.200/32	生产中是公网ip

2、LVS/DR模式实施

1、准备工作（集群中所有主机）关闭防火墙和selinux

[root@lvs-server ~]# cat /etc/hosts
127.0.0.1   localhost localhost.localdomain localhost4 localhost4.localdomain4
::1         localhost localhost.localdomain localhost6 localhost6.localdomain6
192.168.0.107 lvs_server
192.168.0.108 real_server1
192.168.0.109 real_server2

2、Director分发器配置

配置VIP

[root@lvs_server ~]# ip addr add dev ens32 192.168.0.200/32 #设置VIP
[root@lvs_server ~]# yum install -y ipvsadm   #RHEL确保LoadBalancer仓库可用
[root@lvs_server ~]# systemctl start ipvsadm #启动
注意:启动如果报错: /bin/bash: /etc/sysconfig/ipvsadm: 没有那个文件或目录
需要手动生成文件
[root@lvs_server ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
启动之后一定要查看ipvsadm状态
[root@lvs_server ~]# systemctl status ipvsadm
确保是正常启动的

定义LVS分发策略

-A：添加VIP
-t：用的是tcp协议
-a：添加的是lo的vip地址
-r：转发到realserverip
-s：算法
-L|-l –list #显示内核虚拟服务器表
--numeric, -n：#以数字形式输出地址和端口号
-g --gatewaying #指定LVS工作模式为直接路由器模式（也是LVS默认的模式）
-S -save #保存虚拟服务器规则到标准输出，输出为-R 选项可读的格式
rr：轮循
如果添加ip错了，删除命令如下:
# ip addr del dev ens33 192.168.0.200/32

[root@lvs_server ~]# ipvsadm -C  #清除内核虚拟服务器表中的所有记录。
[root@lvs_server ~]# ipvsadm -A -t 192.168.0.200:80 -s rr    //wrr加权轮询
[root@lvs_server ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.200:80 -r 192.168.0.108:80 -g   /-w 2 权重为2
[root@lvs_server ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.200:80 -r 192.168.0.109:80 -g   /-w 1
[root@lvs_server ~]# service ipvsadm save #保存方式一，使用下面的保存方式，版本7已经不支持了
[root@lvs_server ~]# ipvsadm -S > /etc/sysconfig/ipvsadm  #保存方式二，保存到一个文件中
[root@lvs_server ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn        
TCP  192.168.0.200:80 rr
  -> 192.168.0.108:80             Route   1      0          0         
  -> 192.168.0.109:80             Route   1      0          0  
     
[root@lvs_server ~]# ipvsadm -L -n       
[root@lvs_server ~]# ipvsadm -L -n --stats    #显示统计信息
1. Conns    (connections scheduled)  已经转发过的连接数
2. InPkts   (incoming packets)       入包个数
3. OutPkts  (outgoing packets)       出包个数
4. InBytes  (incoming bytes)         入流量（字节）  
5. OutBytes (outgoing bytes)         出流量（字节）
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -L -n --rate   #看速率
1. CPS      (current connection rate)   每秒连接数
2. InPPS    (current in packet rate)    每秒的入包个数
3. OutPPS   (current out packet rate)   每秒的出包个数
4. InBPS    (current in byte rate)      每秒入流量（字节）
5. OutBPS   (current out byte rate)      每秒出流量（字节）

3、所有RS配置

配置好网站服务器，测试所有RS #为了测试效果，提供不同的页面（以下两台real-server都操作）

[root@real_server1 ~]# yum install -y nginx
[root@real_server1 ~]# echo "real-server1" >> /usr/share/nginx/html/index.html
两台机器都安装，按顺序添加不同的主机名以示区分
[root@real_server1 ~]# ip addr add dev lo 192.168.0.200/32   #在lo接口上绑定VIP
#永久：rc.local 或者 复制ifcfg-lo文件，重新配置
[root@real_server1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore  #忽略arp广播
[root@real_server1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce #匹配精确ip地址回包
[root@real_server1 ~]# systemctl start nginx 
[root@real_server1 ~]# systemctl enable  nginx 
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因为：realServer的vip有了，接着就是同一个网段中拥有两个vip, 客户端在网关发送arp广播需找vip时需要让realServer不接受响应.  
解决：
echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_ignore 
arp_ignore 设置为1，意味着当别人的arp请求过来的时候，如果接收的设备没有这个ip，就不做出响应(这个ip在lo上，lo不是接收设备的进口)
echo 2 >/proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_announce   
使用最好的ip来回应，什么是最好的ip？同一个网段内子网掩码最长的

4、测试

[root@client ~]# curl 192.168.0.200
real-server1
[root@client ~]# curl 192.168.0.200
real-server2

LVS的调度算法

LVS的调度算法分为静态与动态两类。

1、静态算法（4种）

只根据算法进行调度 而不考虑后端服务器的实际连接情况和负载情况

①.RR：轮叫调度（Round Robin）

调度器通过”轮叫”调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载｡

②.WRR：加权轮叫（Weight RR）

调度器通过“加权轮叫”调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。

③.DH：目标地址散列调度（Destination Hash ）

根据请求的目标IP地址，作为散列键(HashKey)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。

④.SH：源地址 hash（Source Hash）

源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键(HashKey)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空｡

2、动态算法（6种）

前端的调度器会根据后端真实服务器的实际连接情况来分配请求

①.LC：最少链接（Least Connections）

调度器通过”最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用”最小连接”调度算法可以较好地均衡负载。

②.WLC：加权最少连接(默认采用的就是这种)（Weighted Least Connections）

在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用“加权最少链接”调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载｡调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。

③.SED：最短期望延迟调度（Shortest Expected Delay ）

在WLC基础上改进，Overhead = （ACTIVE+1）*256/加权，不再考虑非活动状态，把当前处于活动状态的数目+1来实现，数目最小的，接受下次请求，+1的目的是为了考虑加权的时候，非活动连接过多缺陷：当权限过大的时候，会倒置空闲服务器一直处于无连接状态。

A B C 服务器
1 2 3 权重
(1+1)/1=2 A
(1+2)/2=1.5 B
(1+3)/2=4/3 C (最小)

④.NQ：永不排队/最少队列调度（Never Queue Scheduling NQ）

无需队列。如果有台 realserver的连接数＝0就直接分配过去，不需要再进行sed运算，保证不会有一个主机很空间。

⑤.LBLC：基于局部性的最少链接（locality-Based Least Connections）

基于局部性的最少链接”调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统｡该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器;若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用“最少链接”的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器｡

⑥. LBLCR：带复制的基于局部性最少连接（Locality-Based Least Connections with Replication）

带复制的基于局部性最少链接”调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统｡它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射｡该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按”最小连接”原则从服务器组中选出一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器超载，则按“最小连接”原则从这个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器｡同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的程度。