Linux Vitual Server

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Lvs
作者 Louis 发表于 2018年6月29日

摘要：

  • 集群概念
  • LVS介绍
  • LVS实现
  • ldirectord

Cluster概念

  • 系统扩展方式： Scale UP：向上扩展,增强 Scale Out：向外扩展,增加设备，调度分配问题，Cluster
  • Cluster：集群,为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统
  • Linux Cluster类型：
    • LB：Load Balancing，负载均衡
    • HA：High Availiablity，高可用，SPOF（single Point Of failure）

      MTBF:Mean Time Between Failure 平均无故障时间 MTTR:Mean Time To Restoration（ repair）平均恢复前时间 A=MTBF/（MTBF+MTTR） (0,1)：99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%

    • HPC：High-performance computing，高性能 www.top500.org
  • 分布式系统： 分布式存储：云盘,fastdfs 分布式计算：hadoop，Spark

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cluster 分类

  • 基于工作的协议层次划分：

    传输层（通用）：DPORT LVS： nginx：stream haproxy：mode tcp

    应用层（专用）：针对特定协议，自定义的请求模型分类

    proxy server： http：nginx, httpd, haproxy(mode http), … fastcgi：nginx, httpd, … mysql：mysql-proxy, …

cluster 相关

  • 会话保持：负载均衡
(1) session sticky：始终将同一个请求连接定向至同一个RS，同一用户调度固定服务器
Source IP：LVS sh算法（对某一特定服务而言）
Cookie
(2) session replication：每台服务器拥有全部session,因此对于大规模集群环境不适用
session multicast cluster
(3) session server：专门的session服务器,利用单独部署的服务器来统一管理session。
Memcached，Redis
  • HA集群实现方案
keepalived:vrrp协议
ais:应用接口规范
heartbeat
cman+rgmanager(RHCS)
coresync_pacemaker

LVS

  • LVS：Linux Virtual Server，负载调度器，集成于内核，章文嵩博士开发

官网：http://www.linuxvirtualserver.org/

VS: Virtual Server，负责调度
RS: Real Server，负责真正提供服务
L4：四层路由器或交换机

  • 工作原理：VS根据请求报文的目标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

  • iptables/netfilter：

iptables：用户空间的管理工具
netfilter：内核空间上的框架
流入：PREROUTING --> INPUT
流出：OUTPUT --> POSTROUTING
转发： PREROUTING --> FORWARD --> POSTROUTING
DNAT：目标地址转换； PREROUTING

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  • lvs集群类型中的术语：
VS：Virtual Server，Director Server(DS)
Dispatcher(调度器)，Load Balancer
RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx)backend server(haproxy)
CIP：Client IP
VIP: Virtual serve IP  VS外网的IP
DIP: Director IP VS内网的IP
RIP: Real server IP

访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP
  • lvs: ipvsadm/ipvs

ipvsadm：用户空间的命令行工具，规则管理器，用于管理集群服务及RealServer

ipvs：工作于内核空间netfilter的INPUT钩子上的框架

  • lvs集群的类型：

lvs-nat：修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT

lvs-dr：操纵封装新的MAC地址

lvs-tun：在原请求IP报文之外新加一个IP首部

lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP

lvs-nat：

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挑出的RS的RIP和PORT实现转发

  1. RIP和DIP应在同一个IP网络，最好使用私网地址；RS的网关要指向DIP
  2. 请求报文和响应报文都必须经由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

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LVS-DR

LVS-DR：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所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出 的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变

  1. Director和各RS都配置有VIP
  2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往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arptables工具
arptables -A IN -d $VIP -j DROP
arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP
3.在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别 
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
$ echo net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 >> /etc/sysctl.conf
$ echo net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 >> /etc/sysctl.conf
$ sysctl -p
推荐修改内核配置，数字说明。
    arp_announce :
   0：默认值，把本机所有接口的所有信息向每个接口的网络进行通告
   1：尽量避免将接口信息向非直接连接网络进行通告
   2：必须避免将接口信息向非本网络进行通告
    arp_ignore:
    0：默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应
    1: 仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文的接口上时，才给予响应
  1. RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director
  2. RS和Director要在同一个物理网络
  3. 请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client
  4. 不支持端口映射（端口不能修败）
  5. RS可使用大多数OS系统

LVS_dr

lvs-tun

转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个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直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）

  1. DIP, VIP, RIP都应该是公网地址
  2. RS的网关一般不能指向DIP
  3. 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director
  4. 不支持端口映射
  5. RS的OS须支持隧道功能

lvs调度算法

lvs的调度方法：10种

  • 静态方法：仅根据算法本身进行调度

RR：Round Robin

WRR: Weigted RR

SH: Source Hashing，实现session sticky，源IP地址hash

DH:Destination Hashing，

  • 动态方法:主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value，较小的RS将被调度

LC： Least Connection

​ Overhead= Active*256+Inactive

WLC: Weigted LC，默认调度方法

​ Overhead=(Active*256+Inactive)/Weight

SED: Shortest Expect Delay

​ Overhead=(Active+1)*256/weight

NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED

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

LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS

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

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