Linux系统负载均衡集群系统解决方案

一、Linux虚拟服务器简介

基于中软Linux的虚拟服务器（Linux Virtual Server，即LVS）是一个具有高可用性特点的负载均衡集群系统。该系统可以提供与服务器节点的数量、性能成正比的负载能力，有效提高服务的吞吐量、可靠性、冗余度、适应性，性能价格比高。同时，LVS也是利用低端设备实现高端服务器性能的有效途径。

中软Linux虚拟服务器（Linux Virtual Server，即LVS）是建立在一个主控服务器（director）及若干真实服务器（real-server）所组成的集群之上。real- server负责实际提供服务，主控服务器根据指定的调度算法对real-server进行控制。而集群的结构对于用户来说是透明的，客户端只与单个的 IP（集群系统的虚拟IP）进行通信，也就是说从客户端的视角来看，这里只存在单个服务器。

Real-server可以提供众多服务，如 ftp, http, dns, telnet, nntp, smtp 等。主控服务器负责对Real-Server进行控制。客户端在向LVS发出服务请求时，Director会通过特定的调度算法来指定由某个Real- Server来应答请求，而客户端只与Load Balancer的IP（即虚拟IP，VIP）进行通信。

二、优点

* 提高吞吐量：为获得更高的吞吐量，在LVS中增加real-servers，其开销只是线性增长；而如果我们选择更换一台更高性能的服务器来获得相当的吞吐量，其开销要大得多，而且被替换掉的旧服务器会造成资源的浪费。

* 冗余：如果LVS中某real-server由于需要升级或其它原因而停止服务，其退出以及恢复工作，并不会造成整个LVS对客户端服务的中断。

* 适应性：不管是需要吞吐量逐渐地变化（因日常事务量变化），还是快速地变化（因突发事务量变化），服务器数量的增减对于客户端都是透明的。

三、结构图

传统的“客户端/服务器”的关系在LVS中仍旧适用，原因在于：

* 所有服务器的IP地址都映射为一个IP（即VIP），客户端只能看见此IP地址

* 所有服务器都认为它与客户端是直接联系的。

上图一个LVS的基础设置

四、基本原理及功能

事实上，director的主要作用类似于一个路由器，但它含有为完成LVS功能所设定的路由表。这些路由表允许director把属于LVS设定服务的包转发到real-servers。如果http（端口80）是LVS设定服务，那么这些包都会被director转发，而director并不监听 VIP：80。

director使用三种不同的转发方法

1、VS-NAT：基于网络地址转换(network address translation ，NAT)

2、VS-DR ：直接路由(direct routing，DR)，包上的MAC地址被更改，然后被转发到real-server

3、VS-Tun ：隧道(tunnelling) ，包被IPIP封装，然后被转发到real-server。

VS-NAT方式实现较为容易，只需要一个功能tcpip栈，缺点在于吞吐量不够大，而且支持的real-server数有限。而VS-DR方式则吞吐量较大，并支持大量的real-server。VS-TUN方式的特点和VS-DR 相似，不过主要用于real-server分布在因特网之上的情况， real-servers对于director可以是远程的，real-servers之间可以处于不同网段。不过，VS-DR和VS-TUN转发方式需要对real-server的ifconfig和路由表进行修改。

LVS可以提供几乎所有的服务（单端口和2端口服务），除了VS-DR和VS-Tun不可以提供从real-servers进行初始化连接的服务（有identd，rsh）。

Real-servers可以是相同的，提供相同的服务（如http ，ftp），文件系统保持内容上的一致，这种类型的LVS用来提高可服务客户端数量。Real-server也可以不同，有各自不同的服务或操作系统。

五、VS-NAT（基于网络地址转换，network address translation ，NAT）

VS-NAT是LVS最基本的方法，如果想要设置一个用于测试的LVS，这是一个最简单的方法。

当客户发出请求，director会将接受到的包的目标地址重写为某个real-server，并将其转发到real-server。Real-server的回复会发到director，director将回复包的源地址改写为VIP

不像VS-DR和VS-TUN，real-server只需要一个功能tcpip栈。Real-server可以是任意操作系统，在real-server上也不必做什么配置修改（除了在路由表中，需要把real-server的默认网关设为director）。

下图为VS-NAT方式的拓补和工作流程示意图。

六、VS-DR（直接路由，direct routing，DR）

 

Director接到来自client的请求包后，根据调度算法选择一个real- server，解析出此real-server的MAC地址，并且向此MAC发送包含一个IP datagram的链路层包。Real-server收到包后，恢复IP datagram，查找路由表后发现这个VIP就在本地（设备lo：0，non-arp），移交给端口监听器。因为Real-server收到从CIP- >VIP的包，构造回复包时就是VIP->CIP。Real-server查找路由表，并通过到client的缺省gateway发送回复。回复不经过director。

在real-server上所需做的工作就是配置一个non-arping的lo：0设备。并且服务需要监听VIP的相应端口。

VS-DR方式吞吐量较大，支持的real-server数量较多。

七、VS-Tun（隧道，tunnelling）

这种方式是基于VS-DR方式的，不同的只是director将包IPIP封装，然后转发到real-server。VS-TUN的real- servers相对于director可以远程；而且每个real-server都可以在单独的网络上，但需要在路由器上做工作，允许源地址为VIP的输出包。

配置方法和要求与VS-DR方式类似。只是需要将lo：0设备换为tunl0设备，其对应模块为ipip。