(LVS) Linux Virtual Server
·
1.简介
是实现Linux内核高性能 高可用的负载均衡技术，由章文嵩博士开发，它的核心作用是将前端的请求流量分发到后端多台真实服务器 （Real Server）上，从而提升服务的并发处理能力和可用性。
LVS集群基本体系结构
基本工作原理：VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS
LVS专业名词
VS：Virtual Server（调度器）
RS：Real Server （真实业务主机）
CIP：Client IP （客户端主机的ip）
VIP: Virtual serve IP VS外网的IP （对外开放的让客户访问的ip）
DIP: Director IP VS内网的IP （调度器负责访问内网的ip）
RIP: Real server IP （真实业务主机IP）
访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP
1.1LVS算法
ipvs scheduler：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态被分为两种：静态方法和动态方法
静态方法：仅根据算法本身进行调度，不考虑RS的负载情况
动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value较小的RS将被调度
lvs静态调度算法
1、RR：roundrobin 轮询 RS分别被调度，当RS配置有差别时不推荐
2、WRR：Weighted RR，加权轮询根据RS的配置进行加权调度，性能差的RS被调度的次数少
3、SH：Source Hashing，实现session sticky，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往 第一次挑中的RS，从而实现会话绑定
4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续将发往同一个目标地址的请 求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡，如：宽带运营商
lvs动态调度算法
主要根据RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value较小的RS会被调度
1、LC：least connections（最少链接发）
适用于长连接应用Overhead（负载值）=activeconns（活动链接数） x 256+inactiveconns（非活
动链接数）
2、WLC：Weighted LC（权重最少链接）
默认调度方法Overhead=(activeconns x 256+inactiveconns)/weight
3、SED：Shortest Expection Delay,
初始连接高权重优先Overhead=(activeconns+1+inactiveconns) x 256/weight 但是，当node1的权重为1，node2的权重为10，经过运算前几次的调度都会被node2承接
4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED
5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理
6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制 到负载轻的RS
在4.15版本内核以后新增调度算法
1.FO(Weighted Fai Over)调度算法：常用作灰度发布
在此FO算法中，遍历虚拟服务所关联的真实服务器链表，找到还未过载(未设置IP_VS_DEST_F OVERLOAD标志)的且权重最高的真实服务器，进行调度
当服务器承接大量链接，我们可以对此服务器进行过载标记（IP_VS_DEST_F OVERLOAD），那么vs调度器就不会把链接调度到有过载标记的主机中。
2.OVF(Overflow-connection)调度算法基于真实服务器的活动连接数量和权重值实现。将新连接调度到权重值最高的真实服务器，直到其活动连接数量超过权重值，之后调度到下一个权重值最高的真实服务器,在此OVF算法中，遍历虚拟服务相关联的真实服务器链表，找到权重值最高的可用真实服务器。一个可用的真实服务器需要同时满足以下条件:
未过载(未设置IP_VS_DEST_F OVERLOAD标志)
真实服务器当前的活动连接数量小于其权重值
其权重值不为零
1.2lvs基本命令
1.管理集群服务中的增删改
-A #添加
-E #修改
-t #tcp服务
-u #udp服务
-s #指定调度算法，默认为WLC
-p #设置持久连接超时，持久连接可以理解为在同一个时间段同一个来源的请求调度到同一 Realserver
-f #firewall mask 火墙标记，是一个数字
-E #修改
-t #tcp服务
-u #udp服务
-s #指定调度算法，默认为WLC
-p #设置持久连接超时，持久连接可以理解为在同一个时间段同一个来源的请求调度到同一 Realserver
-f #firewall mask 火墙标记，是一个数字
2.管理集群中RealServer的曾增删改
-a #添加realserver
-e #更改realserver
-t #tcp协议
-u #udp协议
-f #火墙 标签
-r #realserver地址
-g #直连路由模式
-i #ipip隧道模式
-m #nat模式
-w #设定权重
-Z #清空计数器
-C #清空lvs策略
-L #查看lvs策略
-n #不做解析
--rate ：输出速率信息
-e #更改realserver
-t #tcp协议
-u #udp协议
-f #火墙 标签
-r #realserver地址
-g #直连路由模式
-i #ipip隧道模式
-m #nat模式
-w #设定权重
-Z #清空计数器
-C #清空lvs策略
-L #查看lvs策略
-n #不做解析
--rate ：输出速率信息
2.lvs集群类型
2.1NAT模式
本质是多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某挑出的RS的RIP和
PORT实现转发。
RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址;RS的网关要指向DIP。
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。
1.客户端发送访问请求，请求数据包中含有请求来源(cip)，访问目标地址(VIP)访问目标端口(9000port)
2.VS服务器接收到访问请求做DNAT把请求数据包中的目的地由VIP换成RS的RIP和相应端口
3.RS1相应请求，发送响应数据包，包中的相应保温为数据来源（RIP1）响应目标（CIP）相应端口(9000port)
4.VS服务器接收到响应数据包，改变包中的数据来源(RIP1-->VIP),响应目标端口(9000-->80).
5.VS服务器把修改过报文的响应数据包回传给客户端.
6.lvs的NAT模式接收和返回客户端数据包时都要经过lvs的调度机，所以lvs的调度机容易阻塞.
客户请求到达vip后进入PREROUTING,在没有ipvs的时候因该进入本机INPUT,当IPVS存在后访问请求在通过PREROUTING后被ipvs结果并作nat转发
因为ipvs的作用点是在PREROUTING和INPUT链之间，所以如果在prerouting中设定规则会干扰ipvs的工作。所以在做lvs时要把iptables的火墙策略全清理掉。
模拟实验
实验环境
实验步骤
RS1与RS2（操作相同修改其中ip即可）
[root@RS1 ~]# vmset.sh eth0 192.168.0.10 RS1 noroute
[root@RS1 ~]# nmcli connection modify eth0 ipv4.gateway 192.168.0.100
[root@RS1 ~]# nmcli connection reload
[root@RS1 ~]# nmcli connection up eth0
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/4）
[root@RS1 ~]# route -n
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
0.0.0.0 192.168.0.100 0.0.0.0 UG 100 0 0 eth0
192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 100 0 0 eth0
[root@RS1 ~]# dnf install httpd -y >/dev/null
[root@RS1 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
[root@RS1 ~]# echo RS1 - 192.168.0.10 > /var/www/html/index.html
VS
#1，开启内核路由功能
[root@vsnode ~]# echo net.ipv4.ip_forward=1 >> /etc/sysctl.conf
[root@vsnode ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
#2.编写策略
[root@VSnode ~]# ipvsadm -A -t 172.25.254.100:80 -s wrr
[root@VSnode ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10:80 -m -w 1
[root@VSnode ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.20:80 -m -w 1
[root@VSnode ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 172.25.254.100:80 wrr
-> 192.168.0.10:80 Masq 1 0 0
-> 192.168.0.20:80 Masq 1 0 0
#测试
[root@VSnode ~]# for i in {1..10}; do curl 172.25.254.100;done
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
#更改权重
[root@vsnode ~]# ipvsadm -e -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10:80 -m -w 2
[root@vsnode ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 172.25.254.100:80 wrr
-> 192.168.0.10:80 Masq 2 0 5
-> 192.168.0.20:80 Masq 1 0 5
#测试
[root@vsnode ~]# for i in {1..10};do curl 172.25.254.100;done
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
RS1 - 192.168.0.10
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
RS1 - 192.168.0.10
RS2 - 192.168.0.20
RS1 - 192.168.0.10
RS1 - 192.168.0.10
RS2 - 192.168.0.20
规则持久化
#利用自定义文件进行持久化
[root@vsnode ~]# ipvsadm-save -n
-A -t 172.25.254.100:80 -s wrr
-a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10:80 -m -w 2
-a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.20:80 -m -w 1
[root@vsnode ~]# ipvsadm-save -n > /mnt/ipvs.rule
[root@vsnode ~]# ipvsadm -C
[root@vsnode ~]# ipvsadm-restore < /mnt/ipvs.rule
#利用守护进程进行规则持久化
[root@vsnode ~]# ipvsadm-save -n > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@vsnode ~]# ipvsadm -C
[root@vsnode ~]# systemctl enable --now ipvsadm.service
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ipvsadm.service → /usr/lib/systemd/system/ipvsadm.service.实验结果
2.2DR模式
1.客户端发送数据帧给vs调度主机帧中内容为客户端IP+客户端的MAC+VIP+VIP的MAC
2.VS调度主机接收到数据帧后把帧中的VIP的MAC该为RS1的MAC，此时帧中的数据为客户端IP+客户端的MAC+VIP+RS1的MAC
3.RS1得到2中的数据包做出响应回传数据包，数据包中的内容为VIP+RS1的MAC+客户端IP+客户端IP的MAC
DR模式的特点
1.Director和各RS都配置有VIP
2.确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director
3.在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址
4.RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；
5.RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director
6.RS和Director要在同一个物理网络
7.请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client
8.不支持端口映射（端口不能修败）
模拟实验
client
#客户端
[root@client ~]# vmset.sh eth0 172.25.254.99 client norouter
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/4）
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:e5:75:af brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
altname enp3s0
altname ens160
inet 172.25.254.99/24 brd 172.25.254.255 scope global noprefixroute eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::20c:29ff:fee5:75af/64 scope link tentative noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever
client
[root@client ~]# vim /etc/NetworkManager/system-connections/eth0.nmconnection
[connection]
id=eth0
type=ethernet
interface-name=eth0
[ipv4]
method=manual
address1=172.25.254.99/24,172.25.254.100
dns=8.8.8.8;
[root@client ~]# nmcli connection reload
[root@client ~]# nmcli connection up eth0
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/5）
[root@client ~]# route -n
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
0.0.0.0 172.25.254.100 0.0.0.0 UG 100 0 0 eth0
172.25.254.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 100 0 0 eth0
router
#在路由器中
[root@router ~]# vmset.sh eth0 172.25.254.100 vsnode
[root@router ~]# vmset.sh eth1 192.168.0.100 vsnode noroute
#设定内核路由功能
[root@router ~]# echo net.ipv4.ip_forward=1 >> /etc/sysctl.conf
[root@router ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
#数据转发策略
[root@router ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth1 -j SNAT --to-source 192.168.0.100
[root@vsnode ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j SNAT --to-source 172.25.254.100VS
#vsnode 调度器
[root@vsnode ~]# vmset.sh eth0 192.168.0.50 vsnode norouter
[root@vsnode ~]# vim /etc/NetworkManager/system-connections/eth0.nmconnection
[connection]
id=eth0
type=ethernet
interface-name=eth0
[ipv4]
method=manual
address1==192.168.0.50/24,192.168.0.100
[root@vsnode ~]# cd /etc/NetworkManager/system-connections/
[root@vsnode system-connections]# cp -p eth0.nmconnection lo.nmconnection
[root@vsnode system-connections]# vim lo.nmconnection
[connection]
id=lo
type=loopback
interface-name=lo
[ipv4]
method=manual
address1==127.0.0.1/8
address2=192.168.0.200/32
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection reload
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection up eth0
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/7）
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection up lo
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/8）
#检测
root@vsnode system-connections]# route -n
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
0.0.0.0 192.168.0.100 0.0.0.0 UG 100 0 0 eth0
192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 100 0 0 eth0
192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 100 0 0 eth0
[root@vsnode system-connections]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet 192.168.0.200/32 brd 192.168.0.255 scope global noprefixroute eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:41:e5:8b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
altname enp3s0
altname ens160
inet 192.168.0.50/24 brd 192.168.0.255 scope global secondary noprefixroute eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::e40:8975:6b9:fea8/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft foreverRS1与 RS2（操作相同修改其中的IP即可）
[root@RS1 ~]# vmset.sh eth0 192.168.0.10 RS1 noroute
[root@RS1 ~]# nmcli connection modify eth0 ipv4.gateway 192.168.0.100
[root@RS1 ~]# nmcli connection reload
[root@RS1 ~]# nmcli connection up eth0
[root@RS1 ~]# route -n
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
0.0.0.0 192.168.0.100 0.0.0.0 UG 100 0 0 eth0
192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 100 0 0 eth0
#在lo上设定vip
[root@RS1 ~]# cd /etc/NetworkManager/system-connections/
[root@RS1 system-connections]# cp -p eth0.nmconnection lo.nmconnection
[root@RS1 system-connections]# vim lo.nmconnection
[connection]
id=lo
type=loopback
interface-name=lo
[ethernet]
[ipv4]
address1=127.0.0.1/8
address2=192.168.0.200/32
method=manual
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection reload
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection up lo
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/6）
[root@RS1 system-connections]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet 192.168.0.200/32 scope global lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
#arp禁止响应
[root@rs1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
[root@rs1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
[root@rs1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
[root@rs1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce基本轮询效果
利用火墙标记解决轮询错误
错误展示
#当上述设定完成后http和https是独立的service，轮询会出现重复问题
解决方案：使用火墙标记访问vip的80和443的所有数据包，设定标记为6666，然后对此标记进行负载
[root@vsnode boot]# iptables -t mangle -A PREROUTING -d 192.168.0.200 -p tcp -m multiport --dports 80,443 -j MARK --set-mark 6666
[root@vsnode boot]# ipvsadm -A -f 6666 -s rr
[root@vsnode boot]# ipvsadm -a -f 6666 -r 192.168.0.10 -g
[root@vsnode boot]# ipvsadm -a -f 6666 -r 192.168.0.20 -g
lvs持久链接
在我们客户上网过程中有很多情况下需要和服务器进行交互，客户需要提交响应信息给服务器，如果单纯的进行调度会导致客户填写的表单丢失，为了解决这个问题我们可以用sh算法，但是sh算法比较简单 粗暴，可能会导致调度失衡
解决方案
在进行调度时，不管用什么算法，只要相同源过来的数据包我们就把他的访问记录在内存中，也就是把这个源的主机调度到了那个RS上
如果在短期（默认360S）内同源再来访问我仍然按照内存中记录的调度信息，把这个源的访问还调度到同一台RS上。
如果过了比较长的时间（默认最长时间360s）同源访问再次来访，那么就会被调度到其他的RS上
1.设定ipvs调度策略
[root@vsnode ~]# ipvsadm -A -f 6666 -s rr -p 1
[root@vsnode ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
FWM 6666 rr persistent 1
-> 192.168.0.10:0 Route 1 0 0
-> 192.168.0.20:0 2，测试：
[root@client ~]# curl 192.168.0.200
RS1 - 192.168.0.10
[root@client ~]# curl 192.168.0.200
RS1 - 192.168.0.103.观察
[root@vsnode ~]# watch -n 1 ipvsadm -Lnc
IPVS connection entries
pro expire state source virtual destination
TCP 01:56 FIN_WAIT 172.25.254.99:42420 192.168.0.200:80 192.168.0.20:80
IP 00:57 ASSURED 172.25.254.99:0 0.0.26.10:0 192.168.0.20:0
TCP 01:54 FIN_WAIT 172.25.254.99:46216 192.168.0.200:80 192.168.0.20:80
TCP 01:55 FIN_WAIT 172.25.254.99:46222 192.168.0.200:80 192.168.0.20:80
2.3TUN模式
TUN模式（了解）
转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部 （源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP 是CIP）
TUN模式数据传输过程
1.客户端发送请求数据包，包内有源IP+vip+dport
2.到达vs调度器后对客户端发送过来的数据包重新封装添加IP报文头，新添加的IP报文头中包含 TUNSRCIP(DIP)+TUNDESTIP(RSIP1)并发送到RS1
3.RS收到VS调度器发送过来的数据包做出响应，生成的响应报文中包含SRCIP(VIP)+DSTIP（CIP） +port，响应数据包通过网络直接回传给client
特点
1.DIP, VIP, RIP都应该是公网地址
2.RS的网关一般不能指向DIP
3.请求报文要经由Director，但响应不能经由Director
4.不支持端口映射
5.RS的OS须支持隧道功
2.4fullnet模式
fullnat：通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发
CIP --> DIP
VIP --> RIP
1.VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP
2.RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client
3.请求和响应报文都经由Director
4.支持端口映射
LVS工作模式总结
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
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