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Linux負(fù)載均衡軟件LVS之一（概念篇）

發(fā)布時間: 2012/8/2 18:19:39

　一、 LVS簡介
　　LVS是Linux Virtual Server的簡稱，也就是Linux虛擬服務(wù)器, 是一個由章文嵩博士發(fā)起的自由軟件項目。現(xiàn)在LVS已經(jīng)是 Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的一部分，在Linux2.4內(nèi)核以前，使用LVS時必須要重新編譯內(nèi)核以支持LVS功能模塊，但是從Linux2.4內(nèi)核以后，已經(jīng)完全內(nèi)置了LVS的各個功能模塊，無需給內(nèi)核打任何補丁，可以直接使用LVS提供的各種功能。
　　使用LVS技術(shù)要達(dá)到的目標(biāo)是：通過LVS提供的負(fù)載均衡技術(shù)和Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)一個高性能、高可用的服務(wù)器群集，它具有良好可靠性、可擴展性和可操作性。從而以低廉的成本實現(xiàn)最優(yōu)的服務(wù)性能。
　　LVS自從1998年開始，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)是一個比較成熟的技術(shù)項目了。可以利用LVS技術(shù)實現(xiàn)高可伸縮的、高可用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如WWW服務(wù)、Cache服務(wù)、DNS服務(wù)、FTP服務(wù)、MAIL服務(wù)、視頻/音頻點播服務(wù)等等，有許多比較著名網(wǎng)站和組織都在使用LVS架設(shè)的集群系統(tǒng)，例如：Linux的門戶網(wǎng)站（www.linux.com）、向RealPlayer提供音頻視頻服務(wù)而聞名的Real公司（www.real.com）、全球最大的開源網(wǎng)站（sourceforge.net）等。
　　二、 LVS體系結(jié)構(gòu)
　　使用LVS架設(shè)的服務(wù)器集群系統(tǒng)有三個部分組成：最前端的負(fù)載均衡層，用Load Balancer表示，中間的服務(wù)器群組層，用Server Array表示，最底端的數(shù)據(jù)共享存儲層，用Shared Storage表示，在用戶看來，所有的內(nèi)部應(yīng)用都是透明的，用戶只是在使用一個虛擬服務(wù)器提供的高性能服務(wù)。
　　下面對LVS的各個組成部分進(jìn)行詳細(xì)介紹：
　　l Load Balancer層：位于整個集群系統(tǒng)的最前端，有一臺或者多臺負(fù)載調(diào)度器（Director Server）組成，LVS模塊就安裝在Director Server上，而Director的主要作用類似于一個路由器，它含有完成LVS功能所設(shè)定的路由表，通過這些路由表把用戶的請求分發(fā)給Server Array層的應(yīng)用服務(wù)器（Real Server）上。同時，在Director Server上還要安裝對Real Server服務(wù)的監(jiān)控模塊Ldirectord，此模塊用于監(jiān)測各個Real Server服務(wù)的健康狀況。在Real Server不可用時把它從LVS路由表中剔除，恢復(fù)時重新加入。
　　l Server Array層：由一組實際運行應(yīng)用服務(wù)的機器組成，Real Server可以是WEB服務(wù)器、MAIL服務(wù)器、FTP服務(wù)器、DNS服務(wù)器、視頻服務(wù)器中的一個或者多個，每個Real Server之間通過高速的LAN或分布在各地的WAN相連接。在實際的應(yīng)用中，Director Server也可以同時兼任Real Server的角色。
　　l Shared Storage層：是為所有Real Server提供共享存儲空間和內(nèi)容一致性的存儲區(qū)域，在物理上，一般有磁盤陣列設(shè)備組成，為了提供內(nèi)容的一致性，一般可以通過NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，但是NFS在繁忙的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，性能并不是很好，此時可以采用集群文件系統(tǒng)，例如Red hat的GFS文件系統(tǒng)，oracle提供的OCFS2文件系統(tǒng)等。
　　從整個LVS結(jié)構(gòu)可以看出，Director Server是整個LVS的核心，目前，用于Director Server的操作系統(tǒng)只能是Linux和FreeBSD，linux2.6內(nèi)核不用任何設(shè)置就可以支持LVS功能，而FreeBSD作為Director Server的應(yīng)用還不是很多，性能也不是很好。
　　對于Real Server，幾乎可以是所有的系統(tǒng)平臺，Linux、windows、Solaris、AIX、BSD系列都能很好的支持。
　　三、 LVS集群的特點
　　3.1 IP負(fù)載均衡與負(fù)載調(diào)度算法
　　1．IP負(fù)載均衡技術(shù)
　　負(fù)載均衡技術(shù)有很多實現(xiàn)方案，有基于DNS域名輪流解析的方法、有基于客戶端調(diào)度訪問的方法、有基于應(yīng)用層系統(tǒng)負(fù)載的調(diào)度方法，還有基于IP地址的調(diào)度方法，在這些負(fù)載調(diào)度算法中，執(zhí)行效率最高的是IP負(fù)載均衡技術(shù)。
　　LVS的IP負(fù)載均衡技術(shù)是通過IPVS模塊來實現(xiàn)的，IPVS是LVS集群系統(tǒng)的核心軟件，它的主要作用是：安裝在Director Server上，同時在Director Server上虛擬出一個IP地址，用戶必須通過這個虛擬的IP地址訪問服務(wù)。這個虛擬IP一般稱為LVS的VIP，即Virtual IP。訪問的請求首先經(jīng)過VIP到達(dá)負(fù)載調(diào)度器，然后由負(fù)載調(diào)度器從Real Server列表中選取一個服務(wù)節(jié)點響應(yīng)用戶的請求。
　　當(dāng)用戶的請求到達(dá)負(fù)載調(diào)度器后，調(diào)度器如何將請求發(fā)送到提供服務(wù)的Real Server節(jié)點，而Real Server節(jié)點如何返回數(shù)據(jù)給用戶，是IPVS實現(xiàn)的重點技術(shù)，IPVS實現(xiàn)負(fù)載均衡機制有三種，分別是NAT、TUN和DR，詳述如下：
　　l VS/NAT：即（Virtual Server via Network Address Translation）
　　也就是網(wǎng)絡(luò)地址翻譯技術(shù)實現(xiàn)虛擬服務(wù)器，當(dāng)用戶請求到達(dá)調(diào)度器時，調(diào)度器將請求報文的目標(biāo)地址（即虛擬IP地址）改寫成選定的Real Server地址，同時報文的目標(biāo)端口也改成選定的Real Server的相應(yīng)端口，最后將報文請求發(fā)送到選定的Real Server。在服務(wù)器端得到數(shù)據(jù)后，Real Server返回數(shù)據(jù)給用戶時，需要再次經(jīng)過負(fù)載調(diào)度器將報文的源地址和源端口改成虛擬IP地址和相應(yīng)端口，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，完成整個負(fù)載調(diào)度過程。
　　可以看出，在NAT方式下，用戶請求和響應(yīng)報文都必須經(jīng)過Director Server地址重寫，當(dāng)用戶請求越來越多時，調(diào)度器的處理能力將稱為瓶頸。
　　l VS/TUN ：即（Virtual Server via IP Tunneling）
　　也就是IP隧道技術(shù)實現(xiàn)虛擬服務(wù)器。它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT方式一樣，只是它的報文轉(zhuǎn)發(fā)方法不同，VS/TUN方式中，調(diào)度器采用IP隧道技術(shù)將用戶請求轉(zhuǎn)發(fā)到某個Real Server，而這個Real Server將直接響應(yīng)用戶的請求，不再經(jīng)過前端調(diào)度器，此外，對Real Server的地域位置沒有要求，可以和Director Server位于同一個網(wǎng)段，也可以是獨立的一個網(wǎng)絡(luò)。因此，在TUN方式中，調(diào)度器將只處理用戶的報文請求，集群系統(tǒng)的吞吐量大大提高。
　　l VS/DR：即（Virtual Server via Direct Routing）
　　也就是用直接路由技術(shù)實現(xiàn)虛擬服務(wù)器。它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT和VS/TUN中的一樣，但它的報文轉(zhuǎn)發(fā)方法又有不同，VS/DR通過改寫請求報文的MAC地址，將請求發(fā)送到Real Server，而Real Server將響應(yīng)直接返回給客戶，免去了VS/TUN中的IP隧道開銷。這種方式是三種負(fù)載調(diào)度機制中性能最高最好的，但是必須要求Director Server與Real Server都有一塊網(wǎng)卡連在同一物理網(wǎng)段上。
　　2．負(fù)載調(diào)度算法
　　上面我們談到，負(fù)載調(diào)度器是根據(jù)各個服務(wù)器的負(fù)載情況，動態(tài)地選擇一臺Real Server響應(yīng)用戶請求，那么動態(tài)選擇是如何實現(xiàn)呢，其實也就是我們這里要說的負(fù)載調(diào)度算法，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求和服務(wù)器配置，IPVS實現(xiàn)了如下八種負(fù)載調(diào)度算法，這里我們詳細(xì)講述最常用的四種調(diào)度算法，剩余的四種調(diào)度算法請參考其它資料。
　　l 輪叫調(diào)度（Round Robin）
　　“輪叫”調(diào)度也叫1:1調(diào)度，調(diào)度器通過“輪叫”調(diào)度算法將外部用戶請求按順序1:1的分配到集群中的每個Real Server上，這種算法平等地對待每一臺Real Server，而不管服務(wù)器上實際的負(fù)載狀況和連接狀態(tài)。
　　l 加權(quán)輪叫調(diào)度（Weighted Round Robin）
　　“加權(quán)輪叫”調(diào)度算法是根據(jù)Real Server的不同處理能力來調(diào)度訪問請求�？梢詫γ颗_Real Server設(shè)置不同的調(diào)度權(quán)值，對于性能相對較好的Real Server可以設(shè)置較高的權(quán)值，而對于處理能力較弱的Real Server，可以設(shè)置較低的權(quán)值，這樣保證了處理能力強的服務(wù)器處理更多的訪問流量。充分合理的利用了服務(wù)器資源。同時，調(diào)度器還可以自動查詢Real Server的負(fù)載情況，并動態(tài)地調(diào)整其權(quán)值。
　　l 最少鏈接調(diào)度（Least Connections）
　　“最少連接”調(diào)度算法動態(tài)地將網(wǎng)絡(luò)請求調(diào)度到已建立的鏈接數(shù)最少的服務(wù)器上。如果集群系統(tǒng)的真實服務(wù)器具有相近的系統(tǒng)性能，采用“最小連接”調(diào)度算法可以較好地均衡負(fù)載。
　　l 加權(quán)最少鏈接調(diào)度（Weighted Least Connections）
　　“加權(quán)最少鏈接調(diào)度”是“最少連接調(diào)度”的超集，每個服務(wù)節(jié)點可以用相應(yīng)的權(quán)值表示其處理能力，而系統(tǒng)管理員可以動態(tài)的設(shè)置相應(yīng)的權(quán)值，缺省權(quán)值為1，加權(quán)最小連接調(diào)度在分配新連接請求時盡可能使服務(wù)節(jié)點的已建立連接數(shù)和其權(quán)值成正比。
　　其它四種調(diào)度算法分別為：基于局部性的最少鏈接（Locality-Based Least Connections）、帶復(fù)制的基于局部性最少鏈接（Locality-Based Least Connections with Replication）、目標(biāo)地址散列（Destination Hashing）和源地址散列（Source Hashing），對于這四種調(diào)度算法的含義，本文不再講述，如果想深入了解這其余四種調(diào)度策略的話，可以登陸LVS中文站點zh.linuxvirtualserver.org，查閱更詳細(xì)的信息。
　　3.2 高可用性
　　LVS是一個基于內(nèi)核級別的應(yīng)用軟件，因此具有很高的處理性能，用LVS構(gòu)架的負(fù)載均衡集群系統(tǒng)具有優(yōu)秀的處理能力，每個服務(wù)節(jié)點的故障不會影響整個系統(tǒng)的正常使用，同時又實現(xiàn)負(fù)載的合理均衡，使應(yīng)用具有超高負(fù)荷的服務(wù)能力，可支持上百萬個并發(fā)連接請求。如配置百兆網(wǎng)卡，采用VS/TUN或VS/DR調(diào)度技術(shù)，整個集群系統(tǒng)的吞吐量可高達(dá)1Gbits/s；如配置千兆網(wǎng)卡，則系統(tǒng)的最大吞吐量可接近10Gbits/s。
　　3.3 高可靠性
　　LVS負(fù)載均衡集群軟件已經(jīng)在企業(yè)、學(xué)校等行業(yè)得到了很好的普及應(yīng)用，國內(nèi)外很多大型的、關(guān)鍵性的web站點也都采用了LVS集群軟件，所以它的可靠性在實踐中得到了很好的證實。有很多以LVS做的負(fù)載均衡系統(tǒng)，運行很長時間，從未做過重新啟動。這些都說明了LVS的高穩(wěn)定性和高可靠性。
　　3.4 適用環(huán)境
　　LVS對前端Director Server目前僅支持Linux和FreeBSD系統(tǒng)，但是支持大多數(shù)的TCP和UDP協(xié)議，支持TCP協(xié)議的應(yīng)用有：HTTP，HTTPS ，F(xiàn)TP，SMTP，，POP3，IMAP4，PROXY，LDAP，SSMTP等等。支持UDP協(xié)議的應(yīng)用有：DNS，NTP，ICP，視頻、音頻流播放協(xié)議等。
　　LVS對Real Server的操作系統(tǒng)沒有任何限制，Real Server可運行在任何支持TCP/IP的操作系統(tǒng)上，包括Linux，各種Unix（如FreeBSD、Sun Solaris、HP Unix等），Mac/OS和Windows等。
　　3.5 開源軟件
　　LVS集群軟件是按GPL（GNU Public License）許可證發(fā)行的自由軟件，因此，使用者可以得到軟件的源代碼，并且可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行各種修改，但是修改必須是以GPL方式發(fā)行。