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一、负载均衡 LVS 基本介绍
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。
- LVS 是 Linux 内核标准的一部分。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，通过 LVS 的负载均衡技术和 Linux 操作系统可以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。
- LVS 架构从逻辑上可分为调度层、Server 集群层和共享存储。LVS 实际上相当于基于 IP 地址的虚拟化应用。
二、LVS 的组成
LVS 由 2 部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。
- ipvs(ip virtual server)：工作在内核空间，是真正生效实现调度的代码。
- ipvsadm：工作在用户空间，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)
三、LVS 相关术语
- DS：Director Server, 指的是前端负载均衡器节点。
- RS：Real Server, 后端真实的工作服务器。
- 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。
- DIP：Director Server IP, 前端负载均衡器 IP 地址，主要用于和内部主机通信。
- RIP：Real Server IP, 后端服务器的 IP 地址。
- CIP：Client IP, 访问客户端的 IP 地址
四、LVS 的工作模式介绍
LVS 负载均衡常见的有三种工作模式，分别是地址转换（简称 NAT 模式）、IP 隧道（简称 TUN 模式）和直接路由（简称 DR 模式），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，下面总结 DR 和 NAT 原理和特点：
1. LVS-NAT 模式
(1) LVS-NAT 原理
类似于防火墙的私有网络结构，Director Server 作为所有服务器节点的网关，，即作为客户端的访问入口，也是各节点回应客户端的访问出口，其外网地址作为整个群集的 VIP 地址，其内网地址与后端服务器 Real Server 在同一个物理网络，Real Server 必须使用私有 IP 地址。
数据包流向分析
用户发送请求到 Director Server, 请求的数据报文（源 IP 是 CIP, 目标 IP 是 VIP）到达内核空间。
内核空间判断数据包的目标 IP 是本机，此时 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，重新封装数据包（源 IP 为 CIP，目标 IP 为 RIP），然后选路将数据包发送给 Real Server。
Real Server 比对发现目标 IP 是本机的 IP，重新封装报文（源 IP 为 RIP，目标 IP 为 CIP）发回给 Director Server。
- Director Server 重新封装数据包，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 模型的特点
RS 必须使用私有 IP 地址，网关指向 DIP。
DIP 与 RIP 必须在同一网段内。
DS 作为所有服务器节点的网关，也就是说请求和响应报文都需要经过 Director Server。
支持端口映射
- 高负载场景中，Director Server 压力比较大，易成为性能瓶颈。
2. LVS-DR 模式
(1) LVS-DR 原理
Director Server 作为群集的访问入口，但不作为网关使用，后端服务器池中的 Real Server 与 Director Server 在同一个物理网络中，发送给客户机的数据包不需要经过 Director Server。为了响应对整个群集的访问，DS 与 RS 都需要配置有 VIP 地址。
数据包流向分析
用户发送请求到 Director Server, 请求的数据报文（源 IP 是 CIP, 目标 IP 是 VIP）到达内核空间。
- 由于 DS 和 RS 在同一个网络中，所以是通过二层数据链路层来传输。
- 内核空间判断数据包的目标 IP 是本机 IP，此时 IPVS 比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，重新封装数据包，修改源 MAC 地址为 DIP 的 MAC 地址，目标 MAC 地址为 RIP 的 MAC 地址，源 IP 地址与目标 IP 地址没有改变，然后将数据包发送给 Real Server.
- RS 发现请求报文的 MAC 地址是自己的 MAC 地址，就接收此报文，重新封装报文(源 IP 地址为 VIP，目标 IP 为 CIP), 将响应报文通过 lo 接口传送给 eth0 网卡然后向外发出。
- RS 直接将响应报文传送到客户端。
(2) LVS-DR 模型的特点
- RS 和 DS 必须在同一个物理网络中。
- RS 可以使用私有地址，也可以使用公网地址，如果使用公网地址，可以通过互联网对 RIP 进行直接访问。
- 所有的请求报文经由 Director。Server，但响应报文必须不能经过 Director Server。
- RS 的网关绝不允许指向 DIP(不允许数据包经过 director)。
- RS 上的 lo 接口配置 VIP 的 IP 地址。
LVS-DR 模式需要注意的是：
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。
解决方案是：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。
arp_ignore= 1 表示系统只响应目的 IP 为本地 IP 的 ARP 请求。
- arp_announce= 2 表示系统不使用 IP 包的源地址来设置 ARP 请求的源地址，而选择发送接口的 IP 地址。
五、LVS 的负载调度算法
最常用的有四种；轮询（rr）、加权轮询 (wrr)、最少连接(lc) 和加权最少连接(wlc)。
- 轮询（rr）：将收到的访问请求按照顺序轮流调度到不同的服务器上，不管后端真实服务器的实际连接数和系统负载。
- 加权轮询（wrr）：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。根据每台服务器的性能，给每台服务器添加权值，如果 RS1 的权值为 1，RS2 的权值为 2，那么调度到 RS2 的请求会是 RS1 的 2 倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。这种算法是对 rr 算法的一种优化和补充。
- 最少连接（lc）：根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1。
- 加权最少连接（wlc）: 根据后端 RS 的权重和连接数来决定把请求分发给谁，权重较高，连接数少的 RS 会优先处理请求。
六、LVS 的共享存储服务器
为后端真实服务器提供稳定、一致的文件存取服务，在 Linux/Unix 环境中，共享存储可以使用 NAS 设备或者提供 NFS（网络文件系统）共享服务的专用服务器。一般放在私有网络中。
LVS 的 NAT 模式案例部署详细请看 LVS 负载均衡之 LVS-NAT 搭建 Web 群集
LVS 的 DR 模式案例部署详细请看 LVS 负载均衡之 LVS-DR 搭建 Web 群集与 LVS 结合 Keepalived 搭建高可用 Web 群集
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