利用Linux架构高稳定、高可用、高效率的负载均衡（Load balancer）系统
（一）
作者： connili@sina.com
2001/5/25
引言：
Linux在网络方面具有很强大的功能。可以用Linux架构Firewall（防火墙）, IDS（入侵检测）,Cache&Proxy,大型的mail 系统，
甚至高端的路由器等，无所不能。本文介绍Linux在负载均衡方面的应用和具体的实现。本文的前半部分主要是一些理论的说明及所用
组件的简要介绍，后半部分是具体的实现，包括软件的安装、配置和启动。本文的内容是本人实验得来的，难免有疏漏，请各位谅解！
本文的目标：
本文的目标是实现一个由两台Linux Load balancer(LLB)和三台web服务器组成一个web服务器群，这个服务器群对用户来说就好象
是一台服务器。LLB对三台web服务器进行负载均衡。并且当web服务器出现故障时LLB会自动将出现故障的web服务器从服务器群中剔除，
当web服务器的故障修复后LLB会自动将web服务器加入到服务器群中来。其中两台LLB一台为主（Master LLB）,一台为附（Slave LLB），
当Master LLB出现故障以后，Slave LLB会自动接管Master LLB的所有工作。系统结构如图所示。
client
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Master LLB Slave LLB
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HUB
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webserver1 webserver2 webserver3
理论的说明及所用组件的简要介绍:
我们这里的所实现的负载均衡是以项目的ipvsadm为原型，配合以其他的一些开源软件来实现的。
在这里，我们需要四个组件：
· ipchains
· ipvsadm, (http://)
· keepalived, （）
· heartbeat , ()
ipchains
ipchains是Linux下很有名的Firewall软件，ipchains在Linux的内核中对进出Linux的数据进行控制，包括数据包的过滤和伪装等。
在Linux的内核中有三条标准控制数据包去向的链：input , forward , output 。input是对进入Linux的数据包进行控制，forward是
对路由的数据包进行控制，output是对出Linux的数据包进行控制。网上有不少关于ipchains的文章，在Linux的2.4.0版本的内核中用
的是iptable。在我们的这个方案中ipchains的作用是将用户的请求数据交给ipvsadm来处理，并由ipvsadm决定用户的请求数据最终由
哪台web服务器来相应。大家也可参考IPCHAINS-HOWTO。在此不多说。
ipvsadm()
ipvsadm是由中国的年轻黑客维护的，他是从ipportfw发展而来的。ipvsadm是在Linux的内核中实现的，他在Linux的内核中监测需
要路由的IP数据包，ipvsadm根据用户设置的条件对数据包进行相应的操作。了解ipchains的用户知道，在Linux的内核中有三条控制数
据包去向的链：input , forward , output，ipvsadm是在forward的过程中对数据包进行操作的。ipvsadm的作用是为用户选择合适的
web服务器。LLB在选择服务器时有四种不同的规则，这四种规则用于选择哪台服务器处理用户的请求。这四种规则是：Round-Robin (RR)、
Weighted Round-Robin (WRR)、 Least-Connection (LC)、 Weighted Least-Connection (WLC)。这四种规则各有自己的适应环境。
Round-Robin:
如果您的LLB选用的是这种算法，她会将数据包均匀的分发给各台服务器，他把所有的服务器放在相等的地位上，而不会实际的去考
虑各台服务器的差异，如响应时间、session数等！例如您有ABC三台服务器，那么LLB分发数据包的顺序是......ABCABCABC.....
Round-Robin算法的好处是简单、占用系统资源少，缺点是无法检测哪台服务器有更高的响应速度、更少的连接，所以他非常适合服
务器性能相当的环境。
Weighted Round-Robin
这种规则适用于用户扩展系统时，因为这是集群中的服务器的性能会有较大的差别，为每一个服务器定义一个参数是必要的。
这是一种带参数的Round-Robin的算法，参数的名字叫Weighed。您可以根据您的服务器的处理能力来为每一台服务器分配一个
Weighted值，值越高其优先程度越高，默认值是1。例如：你有三台服务器，分别为A：486、B：奔腾、C：奔腾2，你可以为他们分配
Weighted值为：1、2、3，则按照Weighted Round-Robin的算法处理数据包的服务器的顺序是：CCCBBBA
Round-Robin可以说是Weighted Round-Robin的一种特殊情况，既所有的服务器有相同的Weighted值。
Least-Connection
这是一种动态算法，LLB将根据每台服务器当前的连接数目来转发数据包，具有最少连接的服务器将处理下一个请求。这一种算法能很好
的分配各种流量，对于突发的请求或大量的请求能够做出比较平滑的处理，不会产生将请求的数据发往同一台服务器的情况。
Weighted Least-Connection
这种算法是Least-Connection Scheduling的一种扩展，她为每一台服务器分配一个weighted值，然后根据这个值和每台服务器当前状态
下的连接数来决定由谁来处理用户的请求。可以举一个例子来说明她的工作原理：
假设有n台服务器，每一台服务器的weighted值为Wi ( i=1，2. . . n) ,session为Ci (i=1,...n), ALL-CONNECTIONS 是所有服务器
的session和，既C1+C2+....+Cn.，那么按照下面的算法，服务器j将处理下一个请求：
( Cj/ALL-CONNECTIONS )/Wj=min { (Ci/ALL-CONNECTIONS)/Wi } （ i=1,..,n)
也可以简化为：
Cj/Wj = min { Ci/Wi } (i=1,..,n)
我们可以对这四种算法做一个比较，Round-Robin和Weighted Round-Robin是静态的方法，对于服务器的当前状态不能做出很好的估计，
因此数据的分配并不是最合理。
但在服务器的性能相当时Round-Robin却是最好的选择。Least-Connection 和Weighted Least-Connection是动态的方法，可以对服务器
的当前状态做出比较合理的估计，这样在平衡各台服务器时，可以做出比较优化的选择。
Keepalived
keepalived是一个类似于layer3, 4 & 5交换机制的软件，也就是我们平时说的第3层、第4层和第5层交换。Keepalived的作用是检测web
服务器的状态，如果有一台web服务器死机，或工作出现故障，Keepalived将检测到，并将有故障的web服务器从系统中剔除，当web服务器
工作正常后Keepalived自动将web服务器加入到服务器群中，这些工作全部自动完成，不需要人工干涉，需要人工做的只是修复故障的web
服务器。
Layer3,4&5工作在IP/TCP协议栈的IP层，TCP层，及应用层,原理分别如下：
Layer3：Keepalived使用Layer3的方式工作式时，Keepalived会定期向服务器群中的服务器发送一个ICMP的数据包
（既我们平时用的Ping程序）,如果发现某台服务的IP地址没有激活，Keepalived便报告这台服务器失效，并将它从服务器群中剔除，
这种情况的典型例子是某台服务器被非法关机。Layer3的方式是以服务器的IP地址是否有效作为服务器工作正常与否的标准。在本文中
将采用这种方式。
Layer4:如果您理解了Layer3的方式，Layer4就容易了。Layer4主要以TCP端口的状态来决定服务器工作正常与否。如web server的服务
端口一般是80，如果Keepalived检测到80端口没有启动，则Keepalived将把这台服务器从服务器群中剔除。
Layer5：Layer5就是工作在具体的应用层了，比Layer3,Layer4要复杂一点，在网络上占用的带宽也要大一些。Keepalived将根据用户的
设定检查服务器程序的运行是否正常，如果与用户的设定不相符，则Keepalived将把服务器从服务器群中剔除。
Heartbeat
heartbeat在前面我们简要的说明了一下，两台LLB可以互为备份，这个工作就是由heartbeat来完成的。Heartbeat的中文是
“心跳检测”。Slave LLB利用heartbeat来检测Master LLB的当前状态，当Master LLB不能工作时（如：down机）
Slave LLB通过heartbeat来接管Master LLB的所有工作，这个接管过程在10秒以内完成，对用户来说没有什么察觉。
Heartbeat中包含一个IP take over（IP 地址接管）的功能，此功能是通过ARP欺骗的手段来完成的。
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