很多人使用過LVS集羣系統，但對於LVS集羣，大多數人不清楚它到底是個什麼東西。接下來我們就聊聊LVS及其工作原理。
一.lvs介紹
LVS的英文全名爲“Linux Virtual Server”，即Linux虛擬服務器，是一個虛擬的四層交換器集羣系統，根據目標地址和目標端口實現用戶請求轉發，本身不產生流量，只做用戶請求轉發，目前是負載均衡性能最好的集羣系統。
二.Lvs原理介紹
圖示如下：
1.首先用戶向負載均衡器調度器（Director Server）發起請求，負載均衡器將請求發往至內核空間，交給內核模塊進行檢測。
2.內核模塊中的PREROUTING鏈首先會收到用戶請求，判斷目標地址是否是負載均衡器的IP地址，如果是，則將數據包發往INPUT鏈。
3.IPVS模塊是工作在INPUT鏈上的，當用戶請求到達INPUT鏈上時，IPVS會將用戶請求和自己已定義好的集羣服務作對比，如果用戶請求的就是定義的集羣服務，那麼IPVA會強行修改數據包裏的目標IP地址和目標端口，並將新的數據包發往POSTROUTING鏈。
4.POSTROUTING鏈接收到數據包發現目標IP地址剛好是自己的後端的服務器，那麼通過選路，將數據包最終發送給後端的服務器。
三.lvs組成結構
lvs有兩組代碼，ipvs和ipvsadm。
ipvs(ip virtual server)：即ip虛擬服務，是工作在內核空間上的一段代碼，主要是實現調度的代碼。
ipvsadm：工作在用戶空間，負責爲ipvs內核框架編寫規則，定義誰是集羣服務，誰是後端真實服務器。
四.lvs術語
DS:Director Server，目標服務器，即負載均衡器。
RS：Real Server,真實服務器，即後端服務器。
五.lvs關於IP的術語
VIP：virtual IP是外部直接面向用戶請求，作爲用戶請求的目標IP地址。
DIP：Director Server IP.主要用於和內部主機通信的IP地址。
RIP：Real Server IP
CIP：Client IP，客戶端IP
注：負載均衡器使用雙網卡，一塊是指向外部的VIP，一塊是指向內部的IP，用於和內部服務器通信。
六.lvs的類型
根據架構有3種不同的模型
1、lvs-nat （Network Address Translation）（建議小規模使用）
2、lvs-dr （Direct Routing 直接路由）（建議大規模使用，也是現在較多使用場景的方法）
3、lvs-tun （Tunneling 隧道）（lvs-tun模型比較少用，因爲它不能實現全局負載均衡，不能根據用戶區域的距離來挑選最近的機房。這個最多爲了實現異地容災來實現的。比方說日本的機房地震了，而此時美國的機房仍然可使用，那麼只要將指向到美國機房即可。而一般只有這種場景下才會用到隧道機制）
七.lvs-nat模型
主要是修改目標IP地址爲挑選出新的RS的IP地址。即請求進入負載均衡器時做DNAT，響應出負載均衡器時做SNAT。
1.當用戶請求到達Director Server，此時請求的數據報文會先到達內核的PREROUTING鏈，此時報文的源IP是CIP，目標IP是VIP。
2.PREROUTING鏈檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈。
3.IPVS內核模塊比對數據包請求的服務是否爲集羣服務，如果是，則修改數據包的目標IP爲後端服務器的IP，然後將數據包發至POSTROUTING鏈，做DNAT轉換。此時報文的源IP是CIP，目標IP是RIP
4.POSTROUTING鏈通過選路，將數據包發送到Real Server。
5.Real Server比對發現目標IP是自己的IP，開始建立響應報文發回給Director Server，此時報文的源IP是RIP，目標IP是CIP.
6.Director Server在響應客戶端之前，此時會將源IP地址修改爲自己的IP地址，然後響應給客戶端，做SNAT轉換。此時報文的源IP是VIP。目標IP是CIP。
特性：
1.RS必須使用私有地址，將RS的網關指向DIP。
2.DIP和RIP必須是同一網段內。
3.請求和響應報文都要經過Director Server，高負載場景中，Director Server會出現性能瓶頸。
4.支持端口映射
5.RS可以使用任意操作系統
八.lvs-dr模型
將請求報文的目標MAC地址設定爲天選出來的RS的MAC地址。即做MAC地址轉換。
1.當用戶請求到達Director Server，此時請求的數據報文huixiandao內核空間的PREROUTING鏈，此時報文的IP是CIP，目標IP是VIP。
2.PREROUTING鏈檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈，
3.IPVS內核模塊比對數據包請求的服務是否爲集羣服務，如果是，將請求報文中的源MAC地址修改爲DIP的MAC地址，將目標MAC地址修改爲RIP的MAC地址，然後將數據包發至POETROUTING鏈中，此時的源IP和目的IP均未修改，僅修改了源MAC地址爲DIP的MAC地址，目標MAC地址爲RIP的MAC地址。
4.由於DS和RS實在同一網絡中，所以兩者之間的通信時通過二層協議來傳輸。POSTROUTING鏈檢查目標MAC地址爲RIP的MAC地址，那麼此時數據包將會發至Real Server。
5.RS發現請求報文的MAC地址是自己的MAC地址，就接受此報文，處理完成以後，將響應報文通過IO接口傳送給eth0網卡，然後向外發出，不經過負載均衡器。此時源IP地址爲VIP，目標IP是CIP。
6.響應報文最終送至客戶端。
特性：
保證前端路由將目標地址爲VIP的報文全部發送給DS，而不是RS。
解決方案：
（1）.在前端路由做靜態地址路由綁定，將對於VIP的地址僅路由到DS上。
存在問題：用戶未必有權限操作路由，
（2）.arptables：在arp層次上實現arp解析時做防火牆規則，過濾RS響應arp請求，由iptables提供。
（3）.修改RS上內核參數（arp_ignore和arp_announce）將RS上的VIP配置在lo接口的別名上，並限制不能響應對VIP地址的解析請求。
2.RS可以使用私有地址，也可以使用公網地址，如果使用公網地址，可以直接對RIP進行直接訪問。
3.RS和DS必須在同一物理網絡中（即必須是同一物理網絡）。
4.所有的請求報文經由DS，但響應報文必須不能經過DS。
5.不支持地址轉換，即整個過程和不轉換IP地址，只轉換MAC地址。也不支持端口映射。
6.RS可以使大多數操作系統
7.RS的網關絕對不允許指向DIP，因爲不允許響應報文經過DS。
8.RS的lo接口配置VIP的地址。
九.lvs-tun模型
在原有的IP報文外再次封裝多一層IP首部，內部IP首部（源地址爲CIP，目標地址爲VIP）外部IP地址首部（源地址爲DIP，目標地址爲RIP）
當用戶請求報文到達DS，此時請求的數據報文會先到內核的PREROUTING鏈。此時源IP是CIP,目標IP是VIP。
PREROUTING鏈檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈。
IPVS比對數據包請求的服務是否爲集羣服務，如果是，在請求報文的首部再次封裝一層IP報文，封裝源IP爲DIP，目標IP是RIP，然後發至POSTROUTING鏈。此時源IP是爲DIP，目標IP是RIP。
POSTROUTING鏈根據最新封裝的IP報文，將數據包發至RS（因爲外層封裝多了一層IP首部，所以可以理解爲此時通過隧道傳輸）。此時源IP是DIP，目標IP是RIP。
RS收到報文後發現是自己的IP地址，就會將報文接受下來，拆除最外層的IP後，會發現裏面還有一層IP首部，而且目標地址是自己的lo接口VIP，那麼此時RS開始處理此請求，處理完成滯後，通過lo接口送給eth0網卡，然後向外傳遞。此時的源IP地址爲VIP，目標IP爲CIP。
響應報文送達至客戶端。
特性：
RIP、VIP、DIP全爲公網地址。
RS的網關不會也不可能指向DIP。
所有的請求報文經由DS，但響應報文必須不能經過DS。
不支持端口映射。
RS的系統必須支持隧道模型。
十.LVS的調度算法
分爲靜態方法和動態方法。
1.靜態算法
rr：round robin，輪循，按照順序將請求分配到後端真實服務器上，不考慮後端服務器負載。
wrr:weight round robin，帶權重的輪詢。意爲能者多勞，根據後端真實服務器的性能來進行調度，根據後端真實服務器的負載情況，修改權重值來實現動態的調度。
sh：source hashing，源地址hash，將來自於同一個源IP的請求始終被丁香轉發到同一個RS，目的是爲了session持久功能，僅實現session的綁定。
dh：destination hashing，目標地址hash，主要用於實現當你的內部主機有多個防火牆出口時有用。
2.動態算法
lc：least connection，最少連接，通過監控後端RS的連接數，根據TCP協議中的某些計數器來判斷，將請求調度到已建立的連接數最少後端的真實服務器。計算方法：Overhead=Active*256+Inactive
Overhead：負載均衡
Overhead越小，表示負載越低。
wlc：weight lc，加權最少連接
在集羣系統中的服務器，如果性能差異較大的情況下，調度器可以根據採用“加權的最少連接”調度算法來提高負載均衡性能，權值較高的RS將會承接更大比例的負載連接。所以調度器可以根據“加權的最少連接”來判斷服務器的負載情況，並動態調整其權重值。
計算方法：Overhead=(Active*256+Inactive)/weight
sed：shortest expertion delay最短期望延遲
基於WLC算法，Overhead = （ACTIVE+1）*256/加權，不再考慮非活動狀態，把當前處於活動狀態的數目+1來實現，數目最小的，接受下次請求，+1的目的是爲了考慮加權的時候，非活動連接過多缺陷：當權限過大的時候，會倒置空閒服務器一直處於無連接狀態。
計算方法：Overhead=((Active+1)*256)/weight， 讓權重大的優先接收請求
nq：Never Queue，永不排隊
可以理解第一個請求上來先輪一圈，就是每個都先響應一次，然後在接着使用上面那種方法計算讓誰響應。如果有臺Real Server的連接數＝0就直接分配過去，不需要在進行sed運行。lblc：Locality-Based Least connection基於本地的最小連接
基於局部性的最少連接算法是針對請求報文的目標IP地址的負載均衡調度。主要用於Cache集羣系統，因爲Cache中客戶請求報文的目標IP會不斷髮生改變。所以該算法根據請求的目標IP地址找出該目標IP地址最近使用的Real Server，若該服務器是可用的且沒有超載，就會使用“最少鏈接”來挑選一臺可用的服務器，將請求發送到該服務器lblcr：Replicated lblc帶複製功能的lblc，是dh算法的一種改進
帶複製功能的lblc也是針對目標IP地址做負載均衡。主要是根據請求的目標IP找到目標IP對應的服務器組，根據“最小連接”原則，從服務器組中挑選一臺服務器。若服務器沒有超載，將請求發送到該服務器；若服務器超載，則按“最小連接”原則從這個集羣中選出一臺服務器，將該服務器加入到服務器組中，將請求發送到該服務器同時，當該服務器組有一段時間沒有被修改，將最忙的服務器從服務器組中刪除，以降低複製的程度。