负载均衡LVS教程
一、基础概念
LVS简介
定义：LVS（Linux Virtual Server）是一种高性能的负载均衡解决方案，用于在多台服务器之间分配客户端请求。
工作层次：LVS主要工作在网络的第四层（传输层），因此得名“四层负载均衡”。
核心组件：包括IPVS（IP Virtual Server）、ipvsadm（管理工具）、以及真实服务器（Real Server）。
LVS与Nginx的区别
工作层次：LVS工作在传输层，而Nginx工作在应用层。
性能：由于LVS工作层次更低，其处理性能更高，适合高流量和高并发环境。
功能：Nginx具备HTTP应用层面的分流策略，如域名、结构等；LVS则不具备这些功能。
依赖性：LVS对网络环境的依赖较大，需要良好的网络配置支持。
KeepAlived简介
定义：Keepalived是一款基于VRRP协议的高可用性解决方案，通常与LVS结合使用。
主要功能：提供健康检查和故障转移功能，确保LVS集群的高可用性。
二、LVS的工作原理
调度器与真实服务器
调度器：负责接收客户端请求，并根据预定的调度算法将请求分发到后端的真实服务器。
真实服务器：实际处理客户端请求的服务器，执行具体的业务逻辑。
工作流程
请求接收：客户端请求首先发送到调度器。
请求分发：调度器根据负载均衡算法选择一台合适的真实服务器。
请求转发：调度器将请求转发到选定的真实服务器。
响应返回：真实服务器处理请求后，将响应直接返回给客户端。
三种工作模式
NAT模式：调度器修改请求报文的目标地址和端口，并将响应报文的源地址修改为VIP。
DR模式：调度器只修改请求报文的目标MAC地址，不修改目标IP地址，响应报文直接返回给客户端。
TUN模式：通过IP隧道技术将请求报文封装后转发给真实服务器，响应报文也通过隧道直接返回给客户端。
八种调度算法
RR（轮询）：按顺序循环将请求分配给每个服务器。
WRR（加权轮询）：根据服务器权重分配请求，权重越高分配越多。
LC（最小连接数）：优先将请求分配给当前连接数最少的服务器。
WLC（加权最小连接数）：结合服务器权重和当前连接数进行分配。
SH（源地址哈希）：根据客户端IP地址进行哈希，将请求分配给固定的服务器。
DH（目的地址哈希）：根据目标地址进行哈希，将请求分配给固定的服务器。
SED（最短期望延迟）：优先分配给预期响应时间最短的服务器。
NQ（永不排队）：无需队列，直接将请求分配给第一个符合条件的服务器。
三、LVS集群中的术语
| 术语 | 描述 |
| VS (Virtual Server) | 调度器，负责接收客户端请求，并根据负载均衡算法将请求转发到后端服务器 |
| RS (Real Server) | 服务端服务器，负责处理实际的业务请求 |
| CIP (Client IP) | 客户端请求的IP地址 |
| VIP (Virtual IP) | 虚拟IP地址，通常为公网IP，直接面向用户的IP地址 |
| DIP (Director Server IP) | 调度器的内网IP地址，用于与后端服务器通信 |
| RIP (Real Server IP) | 后端服务端服务器的IP地址 |
四、LVS的工作模式
1. NAT模式（Network Address Translation）
特点：请求和响应数据包都需要经过调度器，调度器成为系统瓶颈，但支持端口映射，适用于小型集群。
原理：调度器修改请求报文的目标IP地址和端口，将请求转发给后端服务器，然后将响应报文的源地址修改为VIP后返回给客户端。
2. DR模式（Direct Routing）
特点：请求数据包经过调度器，响应数据包直接返回给客户端，适合大型集群，但对网络环境要求较高。
原理：调度器只修改请求报文的目标MAC地址，将请求转发给后端服务器，后端服务器直接将响应报文返回给客户端。
3. TUN模式（IP Tunneling）
特点：请求和响应数据包都需要经过调度器，适合跨网络的集群，但性能较低。
原理：调度器通过IP隧道将请求报文转发给后端服务器，后端服务器直接将响应报文返回给客户端。
Full-NAT模式
特点：请求和响应数据包都需要经过调度器，适合需要隐藏服务端服务器IP地址的场景。
原理：调度器修改请求报文的源和目标IP地址，将请求转发给后端服务器，然后将响应报文的源地址修改为VIP后返回给客户端。
五、LVS的调度算法
静态调度算法
RR（Round Robin）：轮询调度，将请求依次分配到后端服务器。
WRR（Weighted Round Robin）：加权轮询调度，根据服务器权重分配请求。
SH（Source Hashing）：源地址哈希调度，根据客户端IP地址进行哈希，将请求分配给固定的服务器。
DH（Destination Hashing）：目标地址哈希调度，根据请求的目标地址进行哈希，将请求分配给固定的服务器。
动态调度算法
LC（Least Connections）：最小连接数调度，将请求分配给连接数最少的服务器。
WLC（Weighted Least Connections）：加权最小连接数调度，根据服务器权重和当前连接数进行分配。
SED（Shortest Expected Delay）：最短延迟调度，优先分配给预期响应时间最短的服务器。
NQ（Never Queue）：永不排队调度，将请求分配给第一个符合条件的服务器。
LBLC（Locality-Based Least Connections）：基于局部性的最少连接调度，优先分配给最近使用的服务器。
LBLCR（LBLC with Replication）：带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题。
六、ipvsadm工具的使用
安装与启动
yum install ipvsadm -y systemctl start ipvsadm systemctl enable ipvsadm
添加虚拟服务器与后端服务器
添加虚拟服务器 ipvsadm -A -t <VIP>:<port> -s <algorithm> 添加后端服务器 ipvsadm -a -t <VIP>:<port> -r <RIP>:<port> -m
查看虚拟服务器列表
ipvsadm -l
删除虚拟服务器或后端服务器
删除虚拟服务器 ipvsadm -D -t <VIP>:<port> -s <algorithm> 删除后端服务器 ipvsadm -d -t <VIP>:<port> -r <RIP>:<port> -m
七、LVS-NAT模式部署实例
架构图
+------------+ +------------------+ +------------+
| | | | | |
| Client | --------| Load Balancer| --------| Real Server|
| | | | | |
+------------+ +------------------+ +------------+
步骤详解
配置调度器：安装并配置ipvsadm工具，添加虚拟服务器和后端服务器。
配置网卡与路由转发：确保调度器具备路由转发能力。
测试：通过访问VIP验证负载均衡效果。
八、LVS-DR模式部署实例
架构图
+------------+ +------------------+ +------------+
| | | | | |
| Client | --------| Load Balancer| --------| Real Server|
| | | | | |
+------------+ +------------------+ +------------+
步骤详解
配置调度器：安装并配置ipvsadm工具，设置DR模式的虚拟服务器和后端服务器。
配置真实服务器：确保真实服务器配置VIP地址，并调整arp_ignore和arp_announce参数。
测试：通过访问VIP验证负载均衡效果。
九、LVS-TUN模式部署实例
架构图
+------------+ +------------------+ +------------+
| | | | | |
| Client | --------| Load Balancer| --------| Real Server|
| | | | | |
+------------+ +------------------+ +------------+
步骤详解
配置调度器：安装并配置ipvsadm工具，设置TUN模式的虚拟服务器和后端服务器。
配置真实服务器：确保真实服务器具备IP隧道功能。
测试：通过访问VIP验证负载均衡效果。
十、常见问题与解答栏目
LVS与Nginx的性能对比？
LVS由于工作在传输层，性能较高，适合高流量和高并发环境；Nginx工作在应用层，具备更多功能，适合复杂的HTTP应用需求，两者各有优劣，需根据具体场景选择。
Q2: LVS如何应对单点故障？
通过Keepalived实现高可用性，Keepalived能够监控LVS的状态，并在主节点故障时自动切换到备份节点。
Q3: LVS支持哪些调度算法？
LVS支持多种调度算法，包括RR、WRR、LC、WLC、SH、DH、SED、NQ等，适用于不同的应用场景。
Q4: 如何选择合适的LVS工作模式？
NAT模式适合小型集群和需要修改目标端口的场景；DR模式适合大型集群和高性能要求；TUN模式适合跨网络的集群和需要隐藏服务端IP的场景。
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