# LVS实战

## LVS实战

## [使用LVS实现负载均衡原理及安装配置详解](https://www.cnblogs.com/liwei0526vip/p/6370103.html)

负载均衡集群是 load balance 集群的简写，翻译成中文就是负载均衡集群。常用的负载均衡开源软件有nginx、lvs、haproxy，商业的硬件负载均衡设备F5、Netscale。这里主要是学习 LVS 并对其进行了详细的总结记录。

### 一、负载均衡LVS基本介绍 <a href="#blogtitle0" id="blogtitle0"></a>

LB集群的架构和原理很简单，就是当用户的请求过来时，会直接分发到Director Server上，然后它把用户的请求根据设置好的调度算法，智能均衡地分发到后端真正服务器\\(real server\\)上。为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样，需要用到了共享存储，这样保证所有用户请求的数据是一样的。

LVS是 Linux Virtual Server 的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网站是\[[http://www.linuxvirtualserver.org\](http://www.linuxvirtualserver.org/)现在](http://www.linuxvirtualserver.org/]\(http/www.linuxvirtualserver.org/\)%E7%8E%B0%E5%9C%A8) LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分。使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。

### 二、LVS的基本工作原理 <a href="#blogtitle1" id="blogtitle1"></a>

![](https://images2015.cnblogs.com/blog/781035/201702/781035-20170207085512619-1627288925.png)

**1.**&#x5F53;用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间\
**2.**&#x50;REROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链\
**3.**&#x49;PVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链\
**4.**&#x50;OSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

### 三、LVS的组成 <a href="#blogtitle2" id="blogtitle2"></a>

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. ipvs(ip virtual server)：一段代码工作在内核空间，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。 &#x20;
2. ipvsadm：另外一段是工作在用户空间，叫ipvsadm，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)

### 四、LVS相关术语 <a href="#blogtitle3" id="blogtitle3"></a>

1. DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。 &#x20;
2. RS：Real Server。后端真实的工作服务器。 &#x20;
3. VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。 &#x20;
4. DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。 &#x20;
5. RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。 &#x20;
6. CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

下边是三种工作模式的原理和特点总结。

### 五、LVS/NAT原理和特点 <a href="#blogtitle4" id="blogtitle4"></a>

**1. 重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。**

![](https://images2015.cnblogs.com/blog/781035/201702/781035-20170208130339541-1597888386.png)

**(a)**. 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP\
\&#xNAN;**(b)**. PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链\
\&#xNAN;**(c)**. IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP\
\&#xNAN;**(d)**. POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server\
\&#xNAN;**(e)**. Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP\
\&#xNAN;**(f)**. Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP

**2. LVS-NAT模型的特性**

* RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
* DIP和RIP必须在同一个网段内
* 请求和响应报文都需要经过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈
* 支持端口映射
* RS可以使用任意操作系统
* 缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server

### 六、LVS/DR原理和特点 <a href="#blogtitle5" id="blogtitle5"></a>

**1. 重将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址**

![](https://images2015.cnblogs.com/blog/781035/201702/781035-20170208131643026-1985709106.png)

**(a)**&#x5F53;用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP\
\&#xNAN;**(b)**&#x50;REROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链\
\&#xNAN;**(c)**&#x49;PVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址\
\&#xNAN;**(d)**&#x7531;于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。\
\&#xNAN;**(e)**&#x52;S发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP\
\&#xNAN;**(f)**&#x54CD;应报文最终送达至客户端

**2. LVS-DR模型的特性**

* 特点1：

  保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS
* RS可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对RIP进行直接访问
* RS跟Director Server必须在同一个物理网络中
* 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
* 不支持地址转换，也不支持端口映射
* RS可以是大多数常见的操作系统
* RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
* RS上的lo接口配置VIP的IP地址
* 缺陷：RS和DS必须在同一机房中

**3. 特点1的解决方案：**

* 在前端路由器做静态地址路由绑定，将对于VIP的地址仅路由到Director Server
* 存在问题：用户未必有路由操作权限，因为有可能是运营商提供的，所以这个方法未必实用
* arptables：在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则，过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的
* 修改RS上内核参数（arp\_ignore和arp\_announce）将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

### 七、LVS/Tun原理和特点 <a href="#blogtitle6" id="blogtitle6"></a>

在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IIP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP)

![](https://images2015.cnblogs.com/blog/781035/201702/781035-20170208132504057-1671947616.png)

**(a)**&#x5F53;用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。\
\&#xNAN;**(b)**&#x50;REROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链\
\&#xNAN;**(c)**&#x49;PVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP\
\&#xNAN;**(d)**&#x50;OSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP\
\&#xNAN;**(e)**&#x52;S接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP\
\&#xNAN;**(f)**&#x54CD;应报文最终送达至客户端

**LVS-Tun模型特性**

* RIP、VIP、DIP全是公网地址
* RS的网关不会也不可能指向DIP
* 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
* 不支持端口映射
* RS的系统必须支持隧道

**其实企业中最常用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便，后边实践中会总结 DR 和 NAT 具体使用配置过程。**

### 八、LVS的八种调度算法 <a href="#blogtitle7" id="blogtitle7"></a>

**1. 轮叫调度 rr**\
这种算法是最简单的，就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上，该算法最大的特点就是简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器，不管后端 RS 配置和处理能力，非常均衡地分发下去。

**2. 加权轮叫 wrr**\
这种算法比 rr 的算法多了一个权重的概念，可以给 RS 设置权重，权重越高，那么分发的请求数越多，权重的取值范围 0 – 100。主要是对rr算法的一种优化和补充， LVS 会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加要给权值，如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。

**3. 最少链接 lc**\
这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1

**4. 加权最少链接 wlc**\
这个算法比 lc 多了一个权重的概念。

**5. 基于局部性的最少连接调度算法 lblc**\
这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则会继续选择其它可行的服务器

**6. 复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr**\
记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录，它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。

**7. 目标地址散列调度算法 dh**\
该算法是根据目标 IP 地址通过散列函数将目标 IP 与服务器建立映射关系，出现服务器不可用或负载过高的情况下，发往该目标 IP 的请求会固定发给该服务器。

**8. 源地址散列调度算法 sh**\
与目标地址散列调度算法类似，但它是根据源地址散列算法进行静态分配固定的服务器资源。

### 九、实践LVS的NAT模式 <a href="#blogtitle8" id="blogtitle8"></a>

**1、实验环境**

三台服务器，一台作为 director，两台作为 real server，director 有一个外网网卡(172.16.254.200)和一个内网ip(192.168.0.8)，两个 real server 上只有内网 ip(192.168.0.18)和(192.168.0.28)，并且需要把两个 real server 的内网网关设置为 director 的内网 ip(192.168.0.8)

**2、安装和配置**

```
两个 real server 上都安装 nginx 服务
# yum install -y nginx

Director 上安装 ipvsadm
# yum install -y ipvsadm
```

**Director 上编辑 nat 实现脚本**

```
# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh
# 编辑写入如下内容：
#! /bin/bash
# director服务器上开启路由转发功能:
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# 关闭 icmp 的重定向
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects
# director设置 nat 防火墙
iptables -t nat -F
iptables -t nat -X
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE
# director设置 ipvsadm
IPVSADM='/sbin/ipvsadm'
$IPVSADM -C
$IPVSADM -A -t 172.16.254.200:80 -s wrr
$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.18:80 -m -w 1
$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.28:80 -m -w 1
```

保存后，在 Director 上直接运行这个脚本就可以完成 lvs/nat 的配置

```
/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_nat.sh
```

**查看ipvsadm设置的规则**

```
ipvsadm -ln
```

**3、测试LVS的效果**

通过浏览器测试2台机器上的web内容[http://172.16.254.200](http://172.16.254.200/)。为了区分开，我们可以把 nginx 的默认页修改一下：

```
在 RS1 上执行
# echo "rs1rs1" >/usr/share/nginx/html/index.html

在 RS2 上执行
# echo "rs2rs2" >/usr/share/nginx/html/index.html
```

注意，切记一定要在两台 RS 上设置网关的 IP 为 director 的内网 IP。

### 十、实践LVS的DR模式 <a href="#blogtitle9" id="blogtitle9"></a>

**1、实验环境**

三台机器：

* Director节点：  (eth0 192.168.0.8  vip eth0:0 192.168.0.38)
* Real server1： (eth0 192.168.0.18 vip lo:0 192.168.0.38)
* Real server2： (eth0 192.168.0.28 vip lo:0 192.168.0.38)

**2、安装**

```
两个 real server 上都安装 nginx 服务
# yum install -y nginx

Director 上安装 ipvsadm
# yum install -y ipvsadm
```

**3、Director 上配置脚本**

```
# vim /usr/local/sbin/lvs_dr.sh
#! /bin/bash
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
ipv=/sbin/ipvsadm
vip=192.168.0.38
rs1=192.168.0.18
rs2=192.168.0.28
ifconfig eth0:0 down
ifconfig eth0:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip dev eth0:0
$ipv -C
$ipv -A -t $vip:80 -s wrr 
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 3
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1
```

**执行脚本：**

```
# bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh
```

**4、在2台 rs 上配置脚本：**

```
# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh
#! /bin/bash
vip=192.168.0.38
ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip lo:0
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
```

**rs 上分别执行脚本：**

```
bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh
```

**5、实验测试**

测试方式同上，浏览器访问[http://192.168.0.38](http://192.168.0.38/)

注意：在 DR 模式下，2台 rs 节点的 gateway 不需要设置成 dir 节点的 IP 。

参考链接地址：<http://www.cnblogs.com/lgfeng/archive/2012/10/16/2726308.html>

### 十一、LVS结合keepalive <a href="#blogtitle10" id="blogtitle10"></a>

LVS可以实现负载均衡，但是不能够进行健康检查，比如一个rs出现故障，LVS 仍然会把请求转发给故障的rs服务器，这样就会导致请求的无效性。keepalive 软件可以进行健康检查，而且能同时实现 LVS 的高可用性，解决 LVS 单点故障的问题，其实 keepalive 就是为 LVS 而生的。

**1、实验环境**

4台节点

* **Keepalived1 + lvs1(Director1)**

  ：192.168.0.48
* **Keepalived2 + lvs2(Director2)**

  ：192.168.0.58
* **Real server1**

  ：192.168.0.18
* **Real server2**

  ：192.168.0.28
* **IP**

  : 192.168.0.38

**2、安装系统软件**

**Lvs + keepalived的2个节点安装**

```
# yum install ipvsadm keepalived -y
```

**Real server + nginx服务的2个节点安装**

```
# yum install epel-release -y
# yum install nginx -y
```

**3、设置配置脚本**

**Real server节点2台配置脚本：**

```
# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh
#! /bin/bash
vip=192.168.0.38
ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip lo:0
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

2节点rs 上分别执行脚本：
bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh
```

**keepalived节点配置(2节点)：**

```
主节点( MASTER )配置文件
vim /etc/keepalived/keepalived.conf
vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.0.38
    }
}

virtual_server 192.168.0.38 80 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    persistence_timeout 0
    protocol TCP

    real_server 192.168.0.18 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80
        }
    }

    real_server 192.168.0.28 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80
        }
    }
}
```

**从节点( BACKUP )配置文件**

拷贝主节点的配置文件keepalived.conf，然后修改如下内容：

```
state MASTER -> state BACKUP
priority 100 -> priority 90
```

**keepalived的2个节点执行如下命令，开启转发功能：**

```
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
```

**4、启动keepalive**

```
先主后从分别启动keepalive
service keepalived start
```

**5、验证结果**

**实验1**

手动关闭192.168.0.18节点的nginx，**service**nginx stop 在客户端上去测试访问[http://192.168.0.38](http://192.168.0.38/)结果正常，不会出现访问18节点，一直访问的是28节点的内容。

**实验2**

手动重新开启 192.168.0.18 节点的nginx，**service**nginx start 在客户端上去测试访问[http://192.168.0.38](http://192.168.0.38/)结果正常，按照 rr 调度算法访问18节点和28节点。

**实验3**

测试 keepalived 的HA特性，首先在master上执行命令 ip addr ，可以看到38的vip在master节点上的；这时如果在master上执行**service**keepalived stop 命令，这时vip已经不再master上，在slave节点上执行 ip addr 命令可以看到 vip 已经正确漂到slave节点，这时客户端去访问[http://192.168.0.38](http://192.168.0.38/)访问依然正常，验证了 keepalived的HA特性。

lvs 介绍：<http://www.it165.net/admin/html/201401/2248.html>
