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LVS理论知识

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LVS 是一个开源的软件,可以实现LINUX平台下的简单负载均衡。首先简单介绍一下LVS (Linux Virtual Server)到底是什么东西,其实它是一种集群(Cluster)技术,采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率,将请求均衡地转移到不同的服务器上执行,且调度器自动屏蔽掉服务器的故障,从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。

VS/NAT、VS/TUN和VS/DR技术是LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术。

IPVS是LVS集群系统的核心软件,它的主要作用是:

 

  • 安装在Load Balancer上,把发往Virtual IP的请求转发到Real Server上。

 

IPVS的负载均衡机制有三种,这里使用IP Tunneling机制:

 

  • Virtual Server via NAT
  • Virtual Server via IP Tunneling
  • Virtual Server via Direct Routing

 

IPVS的负载调度算法有十种:

  • 轮叫(Round Robin)
  • 加权轮叫(Weighted Round Robin)
  • 最少链接(Least Connections)
  • 加权最少链接(Weighted Least Connections)
  • 基于局部性的最少链接(Locality-Based Least Connections)
  • 带复制的基于局部性最少链接(Locality-Based Least Connections with Replication)
  • 目标地址散列(Destination Hashing )
  • 源地址散列(Source Hashing)
  • 最短期望延迟(Shortest Expected Delay)
  • 无须队列等待(Never Queue)

 

 

 为了更好的让大家理解这份命令手册,将手册里面用到的几个术语先简单的介绍一下:
1,virtual-service-address:是指虚拟服务器的ip 地址
2,real-service-address:是指真实服务器的ip 地址
3,scheduler:调度方法
(lna@networksbase.com 翻译 ipvsadm v1.21 2004 年4 月)
ipvsadm 的用法和格式如下:
ipvsadm -A|E -t|u|f virutal-service-address:port [-s scheduler] [-p
[timeout]] [-M netmask]
ipvsadm -D -t|u|f virtual-service-address
ipvsadm -C
ipvsadm -R
ipvsadm -S [-n]
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address:port -r real-server-address:port
[-g|i|m] [-w weight]
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
ipvsadm --set tcp tcpfin udp
ipvsadm --start-daemon state [--mcast-interface interface]
ipvsadm --stop-daemon
ipvsadm -h
命令选项解释:
有两种命令选项格式,长的和短的,具有相同的意思。在实际使用时,两种都可
以。
-A --add-service 在内核的虚拟服务器表中添加一条新的虚拟服务器记录。也
就是增加一台新的虚拟服务器。
-E --edit-service 编辑内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-D --delete-service 删除内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-C --clear 清除内核虚拟服务器表中的所有记录。
-R --restore 恢复虚拟服务器规则
-S --save 保存虚拟服务器规则,输出为-R 选项可读的格式
-a --add-server 在内核虚拟服务器表的一条记录里添加一条新的真实服务器
记录。也就是在一个虚拟服务器中增加一台新的真实服务器
-e --edit-server 编辑一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-d --delete-server 删除一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-L|-l --list 显示内核虚拟服务器表
-Z --zero 虚拟服务表计数器清零(清空当前的连接数量等)
--set tcp tcpfin udp 设置连接超时值
--start-daemon 启动同步守护进程。他后面可以是master 或backup,用来说
明LVS Router 是master 或是backup。在这个功能上也可以采用keepalived 的
VRRP 功能。
--stop-daemon 停止同步守护进程
-h --help 显示帮助信息
其他的选项:
-t --tcp-service service-address 说明虚拟服务器提供的是tcp 的服务
[vip:port] or [real-server-ip:port]
-u --udp-service service-address 说明虚拟服务器提供的是udp 的服务
[vip:port] or [real-server-ip:port]
-f --fwmark-service fwmark 说明是经过iptables 标记过的服务类型。
-s --scheduler scheduler 使用的调度算法,有这样几个选项
rr轮叫调度(Round-Robin Scheduling)|wrr加权轮叫调度(Weighted Round-Robin Scheduling)|lc最小连接调度(Least-Connection Scheduling)|wlc加权最小连接调度(Weighted Least-Connection Scheduling)|lblc基于局部性的最少链接(Locality-Based Least Connections Scheduling)|lblcr带复制的基于局部性最少链接(Locality-Based Least Connections with Replication Scheduling)|dh目标地址散列调度(Destination Hashing Scheduling)|sh8.源地址散列调度(Source Hashing Scheduling))|sed|nq,
默认的调度算法是: wlc.
-p --persistent [timeout] 持久稳固的服务。这个选项的意思是来自同一个客
户的多次请求,将被同一台真实的服务器处理。timeout 的默认值为300 秒。
-M --netmask netmask persistent granularity mask
-r --real-server server-address 真实的服务器[Real-Server:port]
-g --gatewaying 指定LVS 的工作模式为直接路由模式(也是LVS 默认的模式)
-i --ipip 指定LVS 的工作模式为隧道模式
-m --masquerading 指定LVS 的工作模式为NAT 模式
-w --weight weight 真实服务器的权值
--mcast-interface interface 指定组播的同步接口
-c --connection 显示LVS 目前的连接 如:ipvsadm -L -c
--timeout 显示tcp tcpfin udp 的timeout 值 如:ipvsadm -L --timeout
--daemon 显示同步守护进程状态
--stats 显示统计信息
--rate 显示速率信息
--sort 对虚拟服务器和真实服务器排序输出
--numeric -n 输出IP 地址和端口的数字形式

 

 

 

 

一、lvs的优势:

1、抗负载能力强,因为lvs工作方式的逻辑是非常之简单,而且工作在网络4层仅做请求分发之用,没有流量,所以在效率上基本不需要太过考虑。在我手里的 lvs,仅仅出过一次问题:在并发最高的一小段时间内均衡器出现丢包现象,据分析为网络问题,即网卡或linux2.4内核的承载能力已到上限,内存和 cpu方面基本无消耗。

2、配置性低,这通常是一大劣势,但同时也是一大优势,因为没有太多可配置的选项,所以除了增减服务器,并不需要经常去触碰它,大大减少了人为出错的几率。

3、工作稳定,因为其本身抗负载能力很强,所以稳定性高也是顺理成章,另外各种lvs都有完整的双机热备方案,所以一点不用担心均衡器本身会出什么问题,节点出现故障的话,lvs会自动判别,所以系统整体是非常稳定的。

4、无流量,上面已经有所提及了。lvs仅仅分发请求,而流量并不从它本身出去,所以可以利用它这点来做一些线路分流之用。没有流量同时也保住了均衡器的IO性能不会受到大流量的影响。

5、基本上能支持所有应用,因为lvs工作在4层,所以它可以对几乎所有应用做负载均衡,包括http、数据库、聊天室等等。

另:lvs也不是完全能判别节点故障的,譬如在wlc分配方式下,集群里有一个节点没有配置VIP,会使整个集群不能使用,这时使用wrr分配方式则会丢掉一台机。目前这个问题还在进一步测试中。所以,用lvs也得多多当心为妙。

二、nginx和lvs作对比的结果

1、nginx工作在网络的7层,所以它可以针对http应用本身来做分流策略,比如针对域名、目录结构等,相比之下lvs并不具备这样的功能,所以 nginx单凭这点可利用的场合就远多于lvs了;但nginx有用的这些功能使其可调整度要高于lvs,所以经常要去触碰触碰,由lvs的第2条优点 看,触碰多了,人为出问题的几率也就会大。

2、nginx对网络的依赖较小,理论上只要ping得通,网页访问正常,nginx就能连得通,nginx同时还能区分内外网,如果是同时拥有内外网的 节点,就相当于单机拥有了备份线路;lvs就比较依赖于网络环境,目前来看服务器在同一网段内并且lvs使用direct方式分流,效果较能得到保证。另 外注意,lvs需要向托管商至少申请多一个ip来做Visual IP,貌似是不能用本身的IP来做VIP的。要做好LVS管理员,确实得跟进学习很多有关网络通信方面的知识,就不再是一个HTTP那么简单了。

3、nginx安装和配置比较简单,测试起来也很方便,因为它基本能把错误用日志打印出来。lvs的安装和配置、测试就要花比较长的时间了,因为同上所述,lvs对网络依赖比较大,很多时候不能配置成功都是因为网络问题而不是配置问题,出了问题要解决也相应的会麻烦得多。

4、nginx也同样能承受很高负载且稳定,但负载度和稳定度差lvs还有几个等级:nginx处理所有流量所以受限于机器IO和配置;本身的bug也还是难以避免的;nginx没有现成的双机热备方案,所以跑在单机上还是风险较大,单机上的事情全都很难说。

5、nginx可以检测到服务器内部的故障,比如根据服务器处理网页返回的状态码、超时等等,并且会把返回错误的请求重新提交到另一个节点。目前lvs中 ldirectd也能支持针对服务器内部的情况来监控,但lvs的原理使其不能重发请求。重发请求这点,譬如用户正在上传一个文件,而处理该上传的节点刚 好在上传过程中出现故障,nginx会把上传切到另一台服务器重新处理,而lvs就直接断掉了,如果是上传一个很大的文件或者很重要的文件的话,用户可能 会因此而恼火。

6、nginx对请求的异步处理可以帮助节点服务器减轻负载,假如使用apache直接对外服务,那么出现很多的窄带链接时apache服务器将会占用大 量内存而不能释放,使用多一个nginx做apache代理的话,这些窄带链接会被nginx挡住,apache上就不会堆积过多的请求,这样就减少了相 当多的内存占用。这点使用squid也有相同的作用,即使squid本身配置为不缓存,对apache还是有很大帮助的。lvs没有这些功能,也就无法能 比较。

7、nginx能支持http和email(email的功能估计比较少人用),lvs所支持的应用在这点上会比nginx更多。

在使用上,一般最前端所采取的策略应是lvs,也就是DNS的指向应为lvs均衡器,lvs的优点令它非常适合做这个任务。

重要的ip地址,最好交由lvs托管,比如数据库的ip、webservice服务器的ip等等,这些ip地址随着时间推移,使用面会越来越大,如果更换ip则故障会接踵而至。所以将这些重要ip交给lvs托管是最为稳妥的,这样做的唯一缺点是需要的VIP数量会比较多。

nginx可作为lvs节点机器使用,一是可以利用nginx的功能,二是可以利用nginx的性能。当然这一层面也可以直接使用squid,squid的功能方面就比nginx弱不少了,性能上也有所逊色于nginx。

nginx也可作为中层代理使用,这一层面nginx基本上无对手,唯一可以撼动nginx的就只有lighttpd了,不过lighttpd目前还没有 能做到nginx完全的功能,配置也不那么清晰易读。另外,中层代理的IP也是重要的,所以中层代理也拥有一个VIP和lvs是最完美的方案了。

 

 

现在网络中常见的的负载均衡主要分为两种:一种是通过硬件来进行进行,常见的硬件有比较昂贵的NetScaler、F5、Radware和Array等商用的负载均衡器,也有类似于LVS、Nginx、HAproxy的基于Linux的开源的负载均衡策略,

商用负载均衡里面NetScaler从效果上比F5的效率上更高。对于负载均衡器来说,不过商用负载均衡由于可以建立在四~七层协议之上,因此适用 面更广所以有其不可替代性,他的优点就是有专业的维护团队来对这些服务进行维护、缺点就是花销太大,所以对于规模较小的网络服务来说暂时还没有需要使用。

另一种负载均衡的方式是通过软件:比较常见的有LVS、Nginx、HAproxy等,其中LVS是建立在四层协议上面的,而另外Nginx和HAproxy是建立在七层协议之上的,下面分别介绍关于

LVS:使用集群技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器,它具有很好的可伸缩性(Scalability)、可靠性(Reliability)和可管理性(Manageability)。

LVS的特点是:

1、抗负载能力强、是工作在网络4层之上仅作分发之用,没有流量的产生;

2、配置性比较低,这是一个缺点也是一个优点,因为没有可太多配置的东西,所以并不需要太多接触,大大减少了人为出错的几率;

3、工作稳定,自身有完整的双机热备方案;

4、无流量,保证了均衡器IO的性能不会收到大流量的影响;

5、应用范围比较广,可以对所有应用做负载均衡;

6、LVS需要向IDC多申请一个IP来做Visual IP,因此需要一定的网络知识,所以对操作人的要求比较高。

Nginx的特点是:

1、工作在网络的7层之上,可以针对http应用做一些分流的策略,比如针对域名、目录结构;

2、Nginx对网络的依赖比较小;

3、Nginx安装和配置比较简单,测试起来比较方便;

4、也可以承担高的负载压力且稳定,一般能支撑超过1万次的并发;

5、Nginx可以通过端口检测到服务器内部的故障,比如根据服务器处理网页返回的状态码、超时等等,并且会把返回错误的请求重新提交到另一个节点,不过其中缺点就是不支持url来检测;

6、Nginx对请求的异步处理可以帮助节点服务器减轻负载;

7、Nginx能支持http和Email,这样就在适用范围上面小很多;

8、不支持Session的保持、对Big request header的支持不是很好,另外默认的只有Round-robin和IP-hash两种负载均衡算法。

HAProxy的特点是:

1、HAProxy是工作在网络7层之上。

2、能够补充Nginx的一些缺点比如Session的保持,Cookie的引导等工作

3、支持url检测后端的服务器出问题的检测会有很好的帮助。

4、更多的负载均衡策略比如:动态加权轮循(Dynamic Round Robin),加权源地址哈希(Weighted Source Hash),加权URL哈希和加权参数哈希(Weighted Parameter Hash)已经实现

5、单纯从效率上来讲HAProxy更会比Nginx有更出色的负载均衡速度。

6、HAProxy可以对Mysql进行负载均衡,对后端的DB节点进行检测和负载均衡。

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