大多数程序员并不知道,负载均衡器LVS是个啥?

2019-10-11 14:51发布

1. Linux Virtual Server项目

针对高可伸缩、高可用网络服务的需求,我们给出了基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法,并在Linux内核中实现了这些方法,将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。

虚拟服务器的体系结构如图2所示,一组服务器通过高速的局域网或者地理分布的广域网相互连接,在它们的前端有一个负载调度器(Load Balancer)。负载调度器能无缝地将网络请求调度到真实服务器上,从而使得服务器集群的结构对客户是透明的,客户访问集群系统提供的网络服务就像访 问一台高性能、高可用的服务器一样。客户程序不受服务器集群的影响不需作任何修改。系统的伸缩性通过在服务机群中透明地加入和删除一个节点来达到,通过检 测节点或服务进程故障和正确地重置系统达到高可用性。由于我们的负载调度技术是在Linux内核中实现的,我们称之为Linux虚拟服务器(Linux Virtual Server)。

图2:虚拟服务器的结构

在1998年5月,我成立了Linux Virtual Server的自由软件项目,进行Linux服务器集群的开发工作。同时,Linux Virtual Server项目是国内最早出现的自由软件项目之一。

Linux Virtual Server项目的目标 :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)。

目前,LVS项目已提供了一个实现可伸缩网络服务的Linux Virtual Server框架,如图3所示。在LVS框架中,提供了含有三种IP负载均衡技术的IP虚拟服务器软件IPVS、基于内容请求分发的内核Layer-7交 换机KTCPVS和集群管理软件。可以利用LVS框架实现高可伸缩的、高可用的Web、Cache、Mail和Media等网络服务;在此基础上,可以开 发支持庞大用户数的、高可伸缩的、高可用的电子商务应用。

大多数程序员并不知道,负载均衡器LVS是个啥?

图3:Linux虚拟服务器框架

3.1 IP虚拟服务器软件IPVS

在调度器的实现技术中,IP负载均衡技术是效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中有通过网络地址转换(Network Address Translation)将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器,我们称之为VS/NAT技术(Virtual Server via Network Address Translation),大多数商品化的IP负载均衡调度器产品都是使用此方法,如Cisco的LocalDirector、F5的Big/IP和 Alteon的ACEDirector。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上,我们提出通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN (Virtual Server via IP Tunneling),和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR(Virtual Server via Direct Routing),它们可以极大地提高系统的伸缩性。所以,IPVS软件实现了这三种IP负载均衡技术,它们的大致原理如下(我们将在其他章节对其工作原 理进行详细描述),

Virtual Server via Network Address Translation(VS/NAT)

通过网络地址转换,调度器重写请求报文的目标地址,根据预设的调度算法,将请求分派给后端的真实服务器;真实服务器的响应报文通过调度器时,报文的源地址被重写,再返回给客户,完成整个负载调度过程。

Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)

采用NAT技术时,由于请求和响应报文都必须经过调度器地址重写,当客户请求越来越多时,调度器的处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题,调度器把请求报 文通过IP隧道转发至真实服务器,而真实服务器将响应直接返回给客户,所以调度器只处理请求报文。由于一般网络服务应答比请求报文大许多,采用 VS/TUN技术后,集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。

Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)

VS/DR通过改写请求报文的MAC地址,将请求发送到真实服务器,而真实服务器将响应直接返回给客户。同VS/TUN技术一样,VS/DR技术可极大地 提高集群系统的伸缩性。这种方法没有IP隧道的开销,对集群中的真实服务器也没有必须支持IP隧道协议的要求,但是要求调度器与真实服务器都有一块网卡连 在同一物理网段上。

针对不同的网络服务需求和服务器配置,IPVS调度器实现了如下八种负载调度算法:

轮叫(Round Robin)

调度器通过"轮叫"调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上,它均等地对待每一台服务器,而不管服务器上实际的连接数和系统负载。

加权轮叫(Weighted Round Robin)

调度器通过"加权轮叫"调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。

最少链接(Least Connections)

调度器通过"最少连接"调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能,采用"最小连接"调度算法可以较好地均衡负载。

加权最少链接(Weighted Least Connections)

在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下,调度器采用"加权最少链接"调度算法优化负载均衡性能,具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。

基于局部性的最少链接(Locality-Based Least Connections)

"基于局部性的最少链接" 调度算法是针对目标IP地址的负载均衡,目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器,若该服务器 是可用的且没有超载,将请求发送到该服务器;若服务器不存在,或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载,则用"最少链接"的原则选出一个可用的服务 器,将请求发送到该服务器。

带复制的基于局部性最少链接(Locality-Based Least Connections with Replication)

"带复制的基于局部性最少链接"调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡,目前主要用于Cache集群系统。它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个 目标IP地址到一组服务器的映射,而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务 器组,按"最小连接"原则从服务器组中选出一台服务器,若服务器没有超载,将请求发送到该服务器,若服务器超载;则按"最小连接"原则从这个集群中选出一 台服务器,将该服务器加入到服务器组中,将请求发送到该服务器。同时,当该服务器组有一段时间没有被修改,将最忙的服务器从服务器组中删除,以降低复制的 程度。

目标地址散列(Destination Hashing)

"目标地址散列"调度算法根据请求的目标IP地址,作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器,若该服务器是可用的且未超载,将请求发送到该服务器,否则返回空。

源地址散列(Source Hashing)

"源地址散列"调度算法根据请求的源IP地址,作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器,若该服务器是可用的且未超载,将请求发送到该服务器,否则返回空。

3.2 内核Layer-7交换机KTCPVS

在基于IP负载调度技术中,当一个TCP连接的初始SYN报文到达时,调度器就选择一台服务器,将报文转发给它。此后通过查发报文的IP和TCP报文头地 址,保证此连接的后继报文被转发到该服务器。这样,IPVS无法检查到请求的内容再选择服务器,这就要求后端服务器组提供相同的服务,不管请求被发送到哪 一台服务器,返回结果都是一样的。但是,在有些应用中后端服务器功能不一,有的提供HTML文档,有的提供图片,有的提供CGI,这就需要基于内容的调度 (Content-Based Scheduling)。

由于用户空间TCP Gateway的开销太大,我们提出在操作系统的内核中实现Layer-7交换方法,来避免用户空间与核心空间的切换和内存复制的开销。在Linux操作系统的内核中,我们实现了Layer-7交换,称之为KTCPVS(Kernel TCP Virtual Server)。目前,KTCPVS已经能对HTTP请求进行基于内容的调度,但它还不很成熟,在其调度算法和各种协议的功能支持等方面,有大量的工作需要做。

虽然应用层交换处理复杂,它的伸缩性有限,但应用层交换带来以下好处:

  • 相同页面的请求被发送到同一服务器,可以提高单台服务器的Cache命中率。

  • 一些研究[5]表明WEB访问流中存在局部性。Layer-7交换可以充分利用访问的局部性,将相同类型的请求发送到同一台服务器,使得每台服务器收到的请求具有更好的相似性,可进一步提高单台服务器的Cache命中率。

  • 后端服务器可运行不同类型的服务,如文档服务,图片服务,CGI服务和数据库服务等。

2. LVS集群的特点

LVS集群的特点可以归结如下:

功能

有实现三种IP负载均衡技术和八种连接调度算法的IPVS软件。在IPVS内部实现上,采用了高效的Hash函数和垃圾回收机制,能正确处理所调度报文相 关的ICMP消息(有些商品化的系统反而不能)。虚拟服务的设置数目没有限制,每个虚拟服务有自己的服务器集。它支持持久的虚拟服务(如HTTP Cookie和HTTPS等需要该功能的支持),并提供详尽的统计数据,如连接的处理速率和报文的流量等。针对大规模拒绝服务(Deny of Service)攻击,实现了三种防卫策略。

有基于内容请求分发的应用层交换软件KTCPVS,它也是在Linux内核中实现。有相关的集群管理软件对资源进行监测,能及时将故障屏蔽,实现系统的高可用性。主、从调度器能周期性地进行状态同步,从而实现更高的可用性。

适用性

后端服务器可运行任何支持TCP/IP的操作系统,包括Linux,各种Unix(如FreeBSD、Sun Solaris、HP Unix等),Mac/OS和Windows NT/2000等。

负载调度器能够支持绝大多数的TCP和UDP协议:

协议内 容TCPHTTP,FTP,PROXY,SMTP,POP3,IMAP4,DNS,LDAP,HTTPS,SSMTP等UDPDNS,NTP,ICP,视频、音频流播放协议等无需对客户机和服务器作任何修改,可适用大多数Internet服务。

性能

LVS服务器集群系统具有良好的伸缩性,可支持几百万个并发连接。配置100M网卡,采用VS/TUN或VS/DR调度技术,集群系统的吞吐量可高达1Gbits/s;如配置千兆网卡,则系统的最大吞吐量可接近10Gbits/s。

可靠性

LVS服务器集群软件已经在很多大型的、关键性的站点得到很好的应用,所以它的可靠性在真实应用得到很好的证实。有很多调度器运行一年多,未作一次重启动。

软件许可证

LVS集群软件是按GPL(GNU Public License)许可证发行的自由软件,这意味着你可以得到软件的源代码,有权对其进行修改,但必须保证你的修改也是以GPL方式发行。

转自:http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs1.html

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