LVS源码解析前奏--技术原理

         LVS即Linux Virtual Server，现已成为Linux内部标准的一部分，通过LVS的负载均衡技术和Linux操作系统能够实现一个高性能、高可用的服务器集群。

一、体系结构

        使用LVS构建的集群系统由三部分组成：最前端的负载均衡层（Loader Balancer）、中间的服务器群组层（Server Arrary），最底层的数据共享存储层（Shared Storage），具体如下图：

图1 LVS体系结构图       

1、负载均衡层（Loader Balancer）

        位于集群最前端，由一台或多台负载调度器（Director Server）组成，LVS模块安装在Director Server上，Director Server类似于路由器，其包含有LVS所设定的路由表，并通过路由表将用户的请求分发给Server Arrary层的真实服务器（Real Server）。

        此外，Director Server还需要安装针对Real Server的监控模块，用于监测Real Server的健康状况，并在其故障时将其从路由表中删除，在恢复时重新加入到路由表。

2、服务器群组层（Server Arrary）

        由一组实际运行的服务器组成，可以是DNS、WEB、FTP、MAIL等服务器，在实际应用中，Director Server可以兼任Real Server。

3、数据共享存储层（Shared Storage）

        为所有Real Server提供共享存储，一般由磁盘阵列组成，可以搭载NFS、GFS、Hadoop等提供数据共享。

        需要注意的是，这些东东对用户来说都是透明的，只是一个使用VIP的虚拟服务器集群而已。

二、负载均衡机制

        LVS基于IP负载均衡技术，通过IPVS模块实现负载均衡，IPVS是LVS集群的核心。IPVS安装在Director Server上，为Director Server虚拟出一个IP地址，用户通过这个VIP来访问Director Server，然后由Director Server从Real Server列表中选择一个节点响应用户请求。IPVS提供的负载均衡机制有一下三种：

1、VS/NAT

        VS/NAT即Virtual Server via Network Address Translation，即通过网络地址转换技术来实现虚拟服务器。当用户请求到达Director Server时，其将请求报文的目标地址即虚拟IP地址和目标端口号分别改为选定的Real Server的IP地址和相应端口号，然后将报文请求发送给选定Real Server，Real Server收到数据后返回数据给用户，返回的数据也要经过Director Server，其再次将返回报文的源地址和源端口号分别改为虚拟IP地址和相应端口号，然后将报文数据返回给用户。      

        可以看出NAT方式，与HAProxy相似，请求和响应报文都要经过Director Server重写地址，当用户请求越来越多时，Director Server的处理能力将成为瓶颈。  

2、VS/TUN

        VS/TUN即Virtual Server via IP Tunneling，即通过来实现虚拟服务器。用户请求通过Director Server转发到Real Server，而Real Server直接响应用户，也就是请求通过Director Server转发，而响应不需要。这要求所有服务器必须支持IP Tunneling或者IP Encapsulation协议。

3、VS/DR

        VS/DR即Virtual Server via Direct Routing，即通过直接路由技术实现虚拟服务器。用户请求到达当用户请求到达Director Server时，其改写请求报文的MAC地址，然后将请求报文发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给用户。DR是三种负载均衡机制中性能最好的，但要求Director Server和Real Server都有一块网卡连在同一物理网段上。

三、负载调度算法

        常用的调度算法主要有以下四种：

1、Round Robin

        轮询选择Real Server。

2、Weighted Round Robin

        加权轮询：根据性能为Real Server设置权值，权值高的处理请求的机会也越多。

3、Least Connection

        最少连接数来选择Real Server。

4、Weighted Least Connection

        加权最少连接：根据权值和连接数来选择Real Server。

        此外，还有四种算法：基于局部性的最少连接（Locality-Based Least Connections）、带复制的基于局部性最少连接（Locality-Based Least Connections with Replication）、目标地址散列（Destination Hashing）、源地址散列（Source Hashing）。在此不表，如想深入了解，可以看。