lvs介绍

LVS: Linux Virtual Server， 负载调度器，即Linux虚拟服务器。它是我们国家的章文嵩博士的一个开源项目。在linux2.6内核中已经集成，它已经成为内核的一部分，在此之前的内核版本则需要重新编译内核。
LVS 时全球最流程的四层负载均衡开源软件。
LVS 官网：http://www.linuxvirtualserver.org/
阿里云SLB简介：https://developer.aliyun.com/article/1803

整个SLB系统由3部分构成：四层负载均衡，七层负载均衡 和 控制系统，如下图所示；
四层负载均衡，采用开源软件LVS（linux virtual server），并根据云计算需求对其进行了定制化；该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用2年多详见第3节；
七层负载均衡，采用开源软件Tengine；该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用3年多；参见第4节；
控制系统，用于 配置和监控 负载均衡系统；

LVS工作原理

LVS 根据报文的目标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是内核级高恩那个， 工作在INPUT链上，将发往INPUT的流量进行处理。

ubuntu加载lvs

root@ops101:~# for i in $(ls /lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i; done
ip_vs_dh
ip_vs_fo
ip_vs_ftp
ip_vs
ip_vs_lblc
ip_vs_lblcr
ip_vs_lc
ip_vs_mh
ip_vs_nq
ip_vs_ovf
ip_vs_pe_sip
ip_vs_rr
ip_vs_sed
ip_vs_sh
ip_vs_wlc
ip_vs_wrr

root@ops101:~# ls /lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*" >> /etc/modules
root@ops101:~# lsmod | grep ip_vs
ip_vs_wrr              20480  0
ip_vs_wlc              16384  0
ip_vs_sh               16384  0
ip_vs_sed              16384  0
ip_vs_rr               20480  0
ip_vs_pe_sip           16384  0
nf_conntrack_sip       45056  1 ip_vs_pe_sip
ip_vs_ovf              16384  0
ip_vs_nq               16384  0
ip_vs_mh               16384  0
ip_vs_lc               16384  0
ip_vs_lblcr            24576  0
ip_vs_lblc             20480  0
ip_vs_ftp              20480  0
nf_nat                 53248  1 ip_vs_ftp
ip_vs_fo               16384  0
ip_vs_dh               16384  0
ip_vs                 192512  30 ip_vs_wlc,ip_vs_rr,ip_vs_dh,ip_vs_lblcr,ip_vs_sh,ip_vs_ovf,ip_vs_fo,ip_vs_nq,ip_v_lblc,ip_vs_pe_sip,ip_vs_wrr,ip_vs_lc,ip_vs_mh,ip_vs_sed,ip_vs_ftp
nf_conntrack          184320  3 nf_nat,nf_conntrack_sip,ip_vs
nf_defrag_ipv6         24576  2 nf_conntrack,ip_vs
libcrc32c              16384  6 nf_conntrack,nf_nat,btrfs,xfs,raid456,ip_vs
	
root@ops101:~# grep -i ip_vs /boot/config-5.4.0-91-generic 
CONFIG_IP_VS=m
CONFIG_IP_VS_IPV6=y
# CONFIG_IP_VS_DEBUG is not set
CONFIG_IP_VS_TAB_BITS=12
CONFIG_IP_VS_PROTO_TCP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_UDP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_AH_ESP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_ESP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_AH=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_SCTP=y
CONFIG_IP_VS_RR=m
CONFIG_IP_VS_WRR=m
CONFIG_IP_VS_LC=m
CONFIG_IP_VS_WLC=m
CONFIG_IP_VS_FO=m
CONFIG_IP_VS_OVF=m
CONFIG_IP_VS_LBLC=m
CONFIG_IP_VS_LBLCR=m
CONFIG_IP_VS_DH=m
CONFIG_IP_VS_SH=m
CONFIG_IP_VS_MH=m
CONFIG_IP_VS_SED=m
CONFIG_IP_VS_NQ=m
CONFIG_IP_VS_SH_TAB_BITS=8
CONFIG_IP_VS_MH_TAB_INDEX=12
CONFIG_IP_VS_FTP=m
CONFIG_IP_VS_NFCT=y
CONFIG_IP_VS_PE_SIP=m

LVS 系统架构

LVS 工作模式 及 调度算法

LVS 工作模式

• lvs-nat：修改请求报文的目标IP，多目标的IP的DNSAT
• lvs-dr： 为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发。
• lvs-tun: 在原请求报文之外新增加一个IP首部。
• lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP。

LVS 的 NAT 模式

NAT 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哥挑选出的RS和RIP实现转发。
特点：

1. 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。
2. 请求报文和相应报文都必须由 Director 转发。 Director 易于成为系统瓶颈。
3. 支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT。
4. VS 必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统。
   

LVS 的 DR 模式

DR 模式即 Direct Routing，直接路由。LVS 默认模式， 应用最广泛，通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发。源 MAC 是DIP 所在的借口MAC， 目标MAC是挑选出的RS的RIP所在的借口MAC地址，源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变。
特点：

1. Direcotor 和 各RS都配置有VIP
2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求发往Director。
   1. 在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址
   2. 在RS上使用 arotables工具
      arptables -A IN -d $VIP -j DROP
arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP
   3. 在 RS 上修改内核参数限制 ARP 通告几应答级别。
      /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
3. RS 的 RIP 可以使用似网地址， 也可以是公网地址，RIP 与 DIP 在同一个IP网络，RIP的网管不能指向DIP，已确保报文不会经由Director。
4. RS 和 Director 要在同一个物理网络。
5. 请求报文要经由 Director， 但相应报文不经由 Director，而由Rs 直接发往 CLient。
6. 不支持端口映射（端口不能修改）
7. 无需开启 ip_forward
8. Rs 可以使用大多数的OS系统。
   

LVS 的 TUN 模式

隧道模式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP）， 而在源IP报文之外在封装一个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直接相应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）。
特点：

1. RIP和DIP可以不在同一无力网络内，RS的网关一半不能指向DIP，且RIP可以和公网通信，也就是说集群节点可以跨互联网实现，DIP，VIP，RIP可以是公网地址。
2. RealServer 的 Tun 接口上需要配置VIP地址，以便接收发过来的数据包，以及作为相应的报文源IP。
3. Director 转发给 RealServer 时需要借助隧道，隧道外层的IP头部的源IP是DIP，目标IP是RIP，而RealServer 相应给客户端的IP头部是根据隧道内层的IP头分析的到的。源IP是VIP，目标IP是CIP。
4. 请求报文都要经过 Director， 但相应不经由 Director，响应由 RealServer 自己完成。
5. 不支持端口映射。
6. RS的OS必须支持隧道功能。
   应用场景

一般来说，TUN模式常会用来负载调度缓存服务器组，这些缓存服务器一般放置在不同的网络环境，可以就近折返给客户端。在请求对象不在Cache服务器本地命中的情况下，Cache服务器要向源服务器发送请求，将结果取回，最后将结果返回给用户。
LAN环境一般多采用DR模式，WAN环境虽然可以用TUN模式，但是一般在WAN环境下，请求转发更多的被haproxy/nginx/DNS等实现。因此，TUN模式实际应用的很少,跨机房的应用一般专线光纤连接或DNS调度

LVS 的 FULLNAT 模式

通过同时修改报文的源IP和目标IP进行转发。
CIP -->> DIP
VIP -->> RIP
特点：

1. VIP 是公网地址，RIP 和 DIP 是私网地址，且通常在不同IP网络，因此RIP的网关一般不会指向DIP。
2. RS 接收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需相应给DIP， 但 Director 还要将其发往 CLient
3. 请求和相应报文都经由 Director。
4. 相对 NAT 模式，可以更好的实现 LVS-realServer间垮VLAN通信。
5. 支持端口映射。
   

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

调度算法

静态调度算法

仅根据算法本身进行调度

1. RR： roundrobin，轮询，
2. WRR： Weighted RR， 加权轮询。
3. SH： Source Hashing，实现 session sticky， 源IP 地址hash。将来自同一个IP地址的请求始终发往同一次挑选的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。例如：Web缓存。
5. FO（内核4.15）
   （Weighted Fail Over）调度算法,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,属于静态算法

动态调度算法

主要根据每台 RS 当前的负载状态几调度算法进行调度 Overhead=value 较小的RS将被调度。

1. LC： least connections 适用于长连接应用。
   活动连接表示正在传送数据
   非活动连接表示建立连接了，但是没有传送数据
   Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2. WLC： Weighted LC， 默认调度方法，
   WLC是默认调度方法
   这里如果是第一次连接，活动和非活动连接的值都是0.，这样同LC和WL的算法计算结果都是0，需要通过SED来解决这个问题。因为初始+1，就会有数值的对比
   Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3. SED：Shortest Expection Delay， 初始连接高权重优先，只检查活动连接而不考虑非活动连接。
   Overhead=(activeconns+1)*256/weight

4. NQ： Never Queue， 第一轮均匀分配，后续SED。
   解决了第一次分配不均匀的问题。使得所有的服务器都会执行一定的任务

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： LVLC with Replication 带复制高恩那个的LBLC，解决LBLC负载不均问题，从负载重的复制到轻的RS， 实现WEb Cache等。

7. OVF（内核4.15）
   （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。,属
   于动态算法
   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 周边

ipvsadm

• Unit File: ipvsadm.service
• 主程序：/usr/sbin/ipvsadm
• 规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save
• 规则重载工具：/usr/sbin/ipvsadm-restore
• 配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config
• ipvs调度规则文件：/etc/sysconfig/ipvsadm

防火墙标记

LVS 持久连接