深入LVS内核世界：揭秘其高效背后的技术细节与实现机制

news2024/11/25 8:20:30

LVS简介

Linux virtual server，即Linux虚拟服务器，是一种基于Linux平台的高性能、高可用的服务器负载均衡技术。它主要工作在网络层、传输层（OSI参考模型的第三层、第四层），主要通过IP地址和端口号来转发网络流量。LVS可以在一台或多台服务器（称之为负载均衡器或调度器）上运行，将来自客户端的请求按照一定的策略分配给后端的服务器（称之为真实服务器或后端服务器），以达到分散负载、提高系统整体性能和可用性目的。

LVS的专业术语

  • VS：Virtual Server，虚拟服务器，负责调度

  • RS：Real Server，真实服务器，负责真正提供服务

  • CIP：Client IP，客户端IP

  • VIP：Vitrual server 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

lvs集群体系架构

集群类型

  • lvs-nat：修改请求报文的目标IP，多目标IP的DNAT

  • lvs-dr：操纵封装新的MAC地址

  • lvs-tun：在原请求IP报文之外新加一个IP首部

  • lvs-fullnat： 修改请求报文的源和目标IP

NAT模式

将客户端发送的数据包的的目标VIP在LVS上转换为一台后台服务器RS的RIP，目标端口修改为RS的端口，并发送给RS处理，RS处理完成以后将数据包中的源IP和目标IP对换，转回给LVS，LVS再将数据包中的源IP地址修改为自己的VIP，将目标IP修改为客户端的CIP，转发回给客户端。

DR模式

直连路由模式，只有客户端发来的数据流量经过LVS，此模式为数据链路层（OSI参考模型第二层）负载均衡，修改的是目的MAC地址。

在DR模式中，所有的RS都需要配置RIP和VIP两个IP地址。LVS会通过arp获取到所有RS的IP地址以及对应的MAC地址，因此LVS和RS需处于同一二层网络中。

当客户端发送请求到LVS后，LVS保持源目IP地址、端口号不变，同时将源MAC地址转换为自己的MAC地址，目的地MAC地址转换为调度到的RS的MAC地址，进行转发。

RS在回复相应报文时，源地址为VIP地址，源端口为提供服务的端口，源MAC地址为自己的MAC地址，目的地址IP为客户端的地址CIP，目的端口为客户端发起连接请求时的随机端口，目的MAC地址为网关的MAC地址。

在DR模式中，由于要求DIP和RIP在同一网段，因此无法进行大规模或远距离部署 。

TUN模式

tun模式与nat模式的不同之处在于，在LVS和RS之间的传输不需要修改数据包，而是添加一个新的IP头部（把客户端的数据包封装在一个IP tunnel中），然后发送给RS，RS接收到数据包，解开IP tunnel后，再进行相应处理，并且将数据包通过外网直接发回给客户端。

FULLNAT模式

fullnat模式解决了LVS和RS之间跨vlan通信的问题。在传统的nat模式下，LVS和RS必须位于同一个vlan内，这限制了系统的灵活性和可扩展性。而fullnat模式通过在网络层进行额外的地址转换，使得LVS和RS可以跨VLAN通信。

在FULLNAT模式下，当客户端的请求到达LVS时，LVS会将请求报文的源地址从客户端IP替换为LVS的内网IP，并将目标地址改写为RS的IP。当RS处理完请求后，响应报文会返回给LVS的内网IP。LVS在收到响应报文后，会再次进行地址转换，将源地址从RS的IP改为LVS的内网IP，目标地址改回客户端的IP，然后将报文发送给客户端。

LVS的调度算法

静态算法

  • RR：轮询算法

    • 调度器将收到的请求按照顺序轮流分配到集群中的RS。均匀地分配请求，该算法最大的特点就是实现简单，不考虑服务器连接数和负载情况

  • WRR：加权轮询算法

    • 根据RS的处理能力给予不同的权重，为性能好的服务器分配更多的请求，性能一般的分配较少的请求。

  • SH：源地址哈希算法

    • 根据请求的源IP地址作为哈希键从静态分配的哈希表中找出对应的服务器。同一个IP地址的请求始终发往第一次调度的RS，可实现会话绑定。

  • DH：目的地址哈希算法

    • 根据请求的目标IP地址作为哈希键从静态分配的哈希表中找出对应的服务器。发往同一个目标地址的请求始终转发到第一次调度的RS，可用于实现正向代理缓存场景中的负载均衡。

动态算法

  • LC：最少连接算法

    • 动态地将网络请求调度到连接数最少的RS上，当集群中的服务器性能相近时，这种算法可以进行较好的负载均衡。适用于长链接应用。其负载计算公式为：overhead=活动链接数*256+非活动连接数

  • WLC：加权最少连接算法

    • 相对于LC，当集群中服务器性能有差异时，建议使用本算法，可以使性能较好的服务器承接较大比例的活动连接。此算法是LVS的默认调度算法，负载公式为：overhead=（活动连接数*256+非活动连接数）/权重值

  • SED：最短期望延迟算法

    • 当使用WLC时，如果RS的连接数和权重比例正好一样时，下个请求将可能分配给任意一个RS，而不是性能最好的RS，SED可避免这种情况，保证了高权重优先。

  • NQ：最少队列算法

    • 使用该算法时，第一轮请求会均匀的分配给所有的RS，后续再使用SED算法，这样可以避免某些服务器可能用于得不到请求的机会

  • LBLC：基于局部的最少连接算法

    • 根据请求的目标IP找出该目标IP最近使用的服务器，若该服务器可用且没有超载，就将请求发给它；若服务器不存在或者超载，且有服务器处于一半的工作负载，则用最少连接原则将请求发给一个可用服务器。是针对目标IP地址的负载均衡算法，可以看做动态的DH算法。可根据负载情况实现正向代理、web缓存等。

  • LBLCR：带复制功能的LBLC

    • 该算法维护从一个目标IP地址到一组服务器的映射(LBLC维护的是一个目标IP地址到一 台服务器的映射)。根据请求的目标IP找出该目标IP对应的服务器组，按最少连接原则从组内选出一台没有超载的服务器， 将请求发给它;若该服务器超载，则最少连接原则从该集群中选出一台服务器加入到服务器组中，将请求发给该服务器。如果服务器组在一段时间没有修改，将最忙的服务器从组内剔除，以降低复制程度。这个算法也是针对目标IP地址的负载均衡算法，解决LBLC负载不均衡的问题，从负载重的RS复制到负载轻的RS。可根据负载情况实现正向代理、web缓存等。

在4.15版本内核以后新增加的调度算法

  • 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_FOVERLOAD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。

  • 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

LVS命令ipvsadm的使用

在集群管理中的使用

参数说明
-A增加新的集群
-E修改存在的集群
-t使用tcp协议
-u使用udp协议
-s指定调度算法，默认为wlc算法
-p设置持久连接超时，持久连接可以理解为在同一时间段同一来源的请求调度到同一台RS上
-ffirewalld mask，防火墙标记
#增加新的集群
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -t 172.25.254.100:80 -s rr

#修改已存在的集群
[root@lvs ~]# ipvsadm -E -t 172.25.254.100:80 -s wrr

#删除集群
[root@lvs ~]# ipvsadm -D -t 172.25.254.100:80

管理集群中RS的增删改

参数说明
-a增加新的RS
-e更改已经存在的RS
-t使用tcp协议
-u使用udp协议
-f防火墙标记

-r

指向RS的IP地址
-g直连路由模式
-itunnel隧道模式
-mnat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

-S保存策略到配置文件
-R从配置文件加载到策略表
#清空LVS策略
[root@lvs ~]# ipvsadm -C

#查看LVS策略表
[root@lvs ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

#添加新的RS，nat模式
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10 -m
[root@lvs ~]# 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 rr
  -> 192.168.0.10:80              Masq    1      0          0

#添加新的RS，dr模式
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.20 -g
[root@lvs ~]# 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 rr
  -> 192.168.0.10:80              Masq    1      0          0
  -> 192.168.0.20:80              Route   1      0          0

#设定权重
#注意：设定权重在加权算法中生效
[root@lvs ~]# ipvsadm -e -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10 -w 2
[root@lvs ~]# 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 rr
  -> 192.168.0.10:80              Route   2      0          0
  -> 192.168.0.20:80              Route   1      0          0

#查看速率信息
[root@lvs ~]# ipvsadm -Ln --rate
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port                 CPS    InPPS   OutPPS    InBPS   OutBPS
  -> RemoteAddress:Port
TCP  172.25.254.100:80                   0        0        0        0        0
  -> 192.168.0.10:80                     0        0        0        0        0
  -> 192.168.0.20:80                     0        0        0        0        0

#将策略保存到配置文件中
[root@lvs ~]# ipvsadm -S > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@lvs ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm
-A -t lvs:http -s rr
-a -t lvs:http -r 192.168.0.10:http -g -w 2
-a -t lvs:http -r 192.168.0.20:http -g -w 1

#我们再将策略表清空
[root@lvs ~]# ipvsadm -C
[root@lvs ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

#然后再从配置文件中导出策略
[root@lvs ~]# ipvsadm -R < /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@lvs ~]# 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 rr
  -> 192.168.0.10:80              Route   2      0          0
  -> 192.168.0.20:80              Route   1      0          0

LVS-NAT实验

实验环境

lvs 两个网卡，一个net，一个仅主机

        net 172.25.254.100

        仅主机 192.168.0.100

webserver1 仅主机

        192.168.0.10

        gateway 192.168.0.100

webserver2 仅主机

        192.168.0.20

        gateway 192.168.0.100

实验步骤

1、网络配置

#lvs
[root@lvs ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=172.25.254.100/24,172.25.254.2
method=manual
dns=114.114.114.114;

[root@lvs ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens224.nmconnection
[connection]
id=ens224
type=ethernet
interface-name=ens224

[ipv4]
address1=192.168.0.100/24
method=manual
dns=114.114.114.114;

#webserver1
[root@webserver1 ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=192.168.0.10/24,192.18.0.100
method=manual
dns=114.114.114.114;

#webserver2
[root@webserver2 ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=192.168.0.20/24,192.168.0.100
method=manual
dns=114.114.114.114;

配置完成后，在lvs主机上ping两台webserver，能ping通即可

2、http服务配置

#webserver1
#下载httpd软件包
[root@webserver1 ~]# yum install httpd -y
#输入测试内容
[root@webserver1 ~]# echo webserver1 192.168.0.10 > /var/www/html/index.html
#启动httpd服务并设置开机自启
[root@webserver1 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.

#webserver2
#下载httpd软件包
[root@webserver2 ~]# yum install httpd -y
#输入测试内容
[root@webserver2 ~]# echo webserver2 192.168.0.20 > /var/www/html/index.html
#启动httpd服务并设置开机自启
[root@webserver2 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.

3、启动内核路由功能

[root@lvs ~]# sysctl -a | grep ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.ip_forward_update_priority = 1
net.ipv4.ip_forward_use_pmtu = 0

[root@lvs ~]# echo net.ipv4.ip_forward=1 >> /etc/sysctl.conf
[root@lvs ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1

4、LVS配置

#下载ipvsadm软件包
[root@lvs ~]# yum install ipvsadm -y

#添加调度策略
#-A表示增加一个集群，-t表示使用TCP协议，-s rr表示使用的调度算法为rr
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -t 172.25.254.100:80 -s rr

#-a表示添加RS，-r指向RS的地址，-m表示使用nat模式
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10:80 -m
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.20:80 -m

#查看lvs策略表
[root@lvs ~]# 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 rr
  -> 192.168.0.10:80              Masq    1      0          0
  -> 192.168.0.20:80              Masq    1      0          0

5、测试访问

LVS-DR实验

实验环境

测试主机client

        NAT        172.25.254.10

路由器router

        NAT        172.25.254.100

        仅主机    192.168.0.100

调度器LVS

        仅主机        192.168.0.200

webserver1

        仅主机        192.168.0.10

webserver2

        仅主机        192.168.0.20

实验步骤

1.网络配置

#client，nat模式网卡
[root@client ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=172.25.254.10/24,172.25.254.100
method=manual

#router，双网卡，ens160为nat网卡，ens224为仅主机网卡
[root@router ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=172.25.254.100/24
method=manual

[root@router ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens224.nmconnection
[connection]
id=ens224
type=ethernet
interface-name=ens224

[ipv4]
address1=192.168.0.50/24
method=manual

#lvs调度器，仅主机模式网卡
[root@lvs ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=192.168.0.200/24,192.168.0.50
method=manual

#webserver1，仅主机模式网卡
[root@webserver1 ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=192.168.0.10/24,192.168.0.50
method=manual

#webserver2 仅主机模式网卡
[root@webserver2 ~]# cat /etc/NetworkManager/system-connections/ens160.nmconnection
[connection]
id=ens160
type=ethernet
interface-name=ens160

[ipv4]
address1=192.168.0.20/24,192.168.0.50
method=manual

2、http服务配置

与LVS-NAT实验相同，参考LVS-NAT实验httpd服务配置即可。

3、VIP响应问题

由于在LVS和RS主机上都要配置相同的VIP，所以会产生地址冲突，解决地址冲突的方法主要有以下三种：

①在前端网关做静态绑定

②在各RS上使用arptables

③在各RS上修改内核参数，来限制arp响应和通告级别

我们采用的是第三种方法。

内核参数参数值说明
限制响应级别：arp_ignore0:默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应
1:仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文的接口上时，才给予相应

限制通告级别：

arp_announce

0:默认值，把本机所有接口的所有信息向每个接口的网络进行通告
1:尽量避免将接口信息向非直连连接网络进行通告
2:必须避免将接口信息向非直连连接网络进行通告
#在LVS和RS中配置相同的VIP，为192.168.0.100
[root@lvs ~]# ip a a dev lo 192.168.0.100/32
[root@webserver1 ~]# ip a a dev lo 192.168.0.100/32
[root@webserver2 ~]# ip a a dev lo 192.168.0.100/32

#在RS中解决响应问题
[root@webserver1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
[root@webserver1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
[root@webserver1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
[root@webserver1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

[root@webserver2 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
[root@webserver2 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
[root@webserver2 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
[root@webserver2 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

4、LVS配置

#在LVS中配置策略
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -t 192.168.0.100:80 -s rr
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.100:80 -r 192.168.0.10                               -g
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.100:80 -r 192.168.0.20                               -g
[root@lvs ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn I                              nActConn
TCP  192.168.0.100:80 rr
  -> 192.168.0.10:80              Route   1      0          0                              
  -> 192.168.0.20:80              Route   1      0          0

5、启动内核路由功能

[root@router ~]# sysctl -a | grep ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.ip_forward_update_priority = 1
net.ipv4.ip_forward_use_pmtu = 0
[root@router ~]# echo net.ipv4.ip_forward=1 >> /etc/sysctl.conf
[root@router ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1

6、测试访问

防火墙标签解决轮询错误

轮询规则中可能会遇到的一些错误

以http和https为例，当我们在RS中同时开放80和443端口，那么默认控制是分开轮询的，这样我们就会出现轮询错乱的问题。

当我们第一次访问80被轮询到webserver1后，下次访问443仍可能会被再次轮询到webserver1上。

#在两台webserver上安装mod_ssl，并重启httpd
[root@webserver1 ~]# yum install mod_ssl -y
[root@webserver2 ~]# yum install mod_ssl -y
[root@webserver1 ~]# systemctl restart httpd
[root@webserver2 ~]# systemctl restart httpd

#在LVS中，设置80端口和443端口两组策略
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -t 192.168.0.100:80 -s rr
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -t 192.168.0.100:443 -s rr
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.100:80 -r 192.168.0.10 -g
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.100:80 -r 192.168.0.20 -g
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.100:443 -r 192.168.0.10 -g
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 192.168.0.100:443 -r 192.168.0.20 -g

[root@lvs ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.0.100:80 rr
  -> 192.168.0.10:80              Route   1      0          0
  -> 192.168.0.20:80              Route   1      0          0
TCP  192.168.0.100:443 rr
  -> 192.168.0.10:443             Route   1      0          0
  -> 192.168.0.20:443             Route   1      0          0

[root@client ~]# curl http://192.168.0.100 && curl -k https://192.168.0.100
webserver2 192.168.0.20
webserver1 192.168.0.20

防火墙标记解决轮询调度问题

FWM：firewall mark

mark target可用于给特定的报文打标记

--set-mark value

其中：value可为0xffff格式，表示16进制数字借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务，可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度。

#在LVS中， 设定端口标签，将80和443端口视为一个整体
[root@lvs ~]# iptables -t mangle -A PREROUTING -d 192.168.0.100 -p tcp -m multiport --dports 80,443 -j MARK --set-mark 66
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -f 66 -s rr
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -f 66 -r 192.168.0.10 -g
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -f 66 -r 192.168.0.20 -g
[root@client ~]# curl http://192.168.0.100 && curl -k https://192.168.0.100
webserver2 192.168.0.20
webserver1 192.168.0.10

LVS持久连接

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，我们可以使用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另一个RS上。

如果在短期（默认360s）内同源再来访问我们仍然按照内存中所记录的调度信息，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，那么就会被调度的其他的RS上。

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