- LVS簡介
- Linux Virtual Server項目
- 網絡分層
- IP虛擬服務器軟件
- IP調度算法
- 內核Layer-7交換機KTCPVS
- LVS集羣特點
- LVS與Nginx對比
LVS的英文全稱是Linux Virtual Server，即Linux虛擬服務器。它是我們國家章文嵩博士的一個開源項目，在Linux內核2.6中，它已經成爲內核的一部分，在此之前的內核版本則需要重新編譯內核。
LVS主要用於多服務器的負載均衡。它工作在網絡4層，可以實現高性能，高可用的服務器集羣技術。它廉價，可把許多低性能的服務器組合在一起形成一個超級服務器。它易用，配置非常簡單，且有多種負載均衡方法。它穩定可靠，即使在集羣的服務器中某臺服務器無法正常工作，也不影響整體效果。另外可擴展性非常好。
Linux Virtual Server項目
針對高可伸縮、高可用網絡服務的需求，給出了基於IP層和基於內容請求分發的負載均衡調度解決方法，並在Linux內核中實現了這些方法，將一組服務器構成一個實現可伸縮的、高可用網絡服務的虛擬服務器。
一組服務器通過高速的局域網或者地理分佈的廣域網相互連接，在它們的前端有一個負載調度器（Load Balancer）。負載調度器能無縫地將網絡請求調度到真實服務器上，從而使得服務器集羣的結構對客戶是透明的，客戶訪問集羣系統提供的網絡服務就像訪問一臺高性能、高可用的服務器一樣。由於LVS的負載調度技術是在Linux內核中實現的，稱之爲Linux虛擬服務器（Linux Virtual Server）。
LVS項目的目標：使用集羣技術和Linux操作系統實現一個高性能、高可用的服務器，它具有很好的可伸縮性（Scalability）、可靠性（Reliability）、和可管理性（Manageability）。
目前，LVS項目提供了一個實現可伸縮網絡服務的LinuxVirtualServer框架
- E-Commerce
- General Network Services
- Cluster Management：集羣管理軟件
- KTCPVS：基於內容請求分發的內核Layer-7交換機
- IPVS：提供了含有三種IP負載均衡技術的IP虛擬服務器軟件
可以利用LVS框架實現高可伸縮的、高可用的Web、Cache、Mail和Media等網絡服務；在此基礎上，可以開發支持龐大用戶數的、高可伸縮的、高可用的電子商務應用。
Nginx工作在OSI7層模型下，LVS工作在下四層
IP虛擬服務器軟件IPVS
在調度器的實現技術中，IP負載技術是效率最高的。IPVS軟件實現了三種IP負載均衡技術。它們的大致原理如下：
Virtual Server via Direct Routing （VS/DR）
VS/DR通過改寫請求報文的MAC地址，將請求發送到真實服務器，而真實服務器將響應直接返回給客戶。同VS/TUN技術一樣，VS/DR技術可極大地提高集羣系統的伸縮性。這種方法沒有IP隧道的開銷，對集羣中的真實服務器也沒有必須支持IP隧道協議的要求，但是要求調度器與真實服務器都有一塊網卡連在同一物理網段上。
Virtual Server via Network Address Translation (VS/NAT)
通過網絡地址轉換，調度器重寫請求報文的目標地址，根據預設的調度算法，將請求分派給後端的真實服務器；真實服務器的響應報文通過調度器時，報文的源地址被重寫，再返回給客戶，完成整個負載調度過程。
Virtual Server via IP Tunneling （VS/TUN）
採用NAT技術時，由於請求和響應報文都必須經過調度器地址重寫，當客戶請求越來越多時，調度器的處理能力將成爲瓶頸。爲了解這個問題，調度器把請求報文通過IP隧道轉發至真實的服務器，而真實服務器將響應直接返回給客戶，所以調度器只處理請求報文。由於一般網絡服務應答比請求報文大許多，採用VS/TUN技術後，集羣系統的最大吞吐量可以提高10倍。
IPVS 8種調度算法
- 輪叫 Round Robin
- 加權輪叫 Weighted Round Robin
- 最少鏈接 Least Connections
- 加權最少鏈接 Weighted Least Connections
- 基於局部性的最少鏈接 Locality-Based Least Connections
- 帶複製的基於局部性的最少鏈接 Locality-Based Least Connections with Replication
- 目標地址散列 Destination Hashing
- 源地址散列 Source Hashing
內核Layer-7交換機KTCPVS
在基於IP負載調度技術中，當一個TCP連接的初始SYN報文到達時，調度器就選擇一臺服務器，將報文轉發給它。此後通過查發報文的IP和TCP頭地址，保證此連接的後繼報文被轉發到該服務器。這樣，IPVS無法檢查到請求的內容再選擇服務器，這就要求後端服務器組提供相同的服務，不管請求被髮送到哪一臺服務器，返回結果都是一樣的，但是，在有些應用中後端服務器功能不一，有的提供HTML文檔，有的提供圖片，有的提供CGI，這就需要基於內容的調度（Content-Based Scheduling）
LVS集羣特點
- 有三種IP負載均衡和八種連接調度算法的IPVS軟件
- 在IPVS內部實現上，採用了高效的Hash函數和垃圾回收機制，能正確處理所調度報文相關的ICMP消息
- 虛擬服務的設置數目沒有限制，每個虛擬服務有自已的服務器集。
- 它支持持久虛擬服務（如HTTP Cookie和HTTPS等需要該功能的支持），並提供詳盡的統計數據，如連接的處理速率和報文的流量等。
- 針對大規模拒絕服務（Deny of Service）攻擊，實現了三種防衛策略。
- 有基於內容請求分發的應用層交換軟件KTCPVS，它也是在Linux內核中實現。
- 有相關的集羣管理軟件對資源進行監測，能及時將故障屏蔽，實現系統的高可用性。
- 主、從調度器能週期性地進行狀態同步，從而實現更高的可用性。
LVS與Nginx對比
| 負載均衡 | 4層負載均衡 | 7層負載均衡 |
|---|---|---|
| 技術原理 | IP+TCP端口 | URL應用層（內容交換） |
| 典型代表 | LVS | Ngin、Haproxy、MySQL Proxy |
| 優點和缺點 | 不理解mysql、ftp、http等應用協議，滿足不了特定需求，如動靜分離，緩存自定義等，但是配置簡單，效率也很高 | 對負載均衡設備要求很高，處理七層能力一般低於四層模式的部署方式，但比較智能化，比如動態分離，根據不同請求定義圖片，緩存，可以對客戶端請求和服務器的相應進行自定義修改，極大提升了應用系統在網絡層的靈活性 |
| 安全性 | SYNFlood攻擊，有的軟四層應用則會轉發到後端服務器，有的則可以防止攻擊，這個和設備（軟硬）有一定關係。 | 一般可以在七層進行攔截，不影響後臺服務器正常運營，可以設置多種策略，過濾特定報文。 |
| 應用 | 對應TCP應用 比如c/s開發的ERP | 應用廣發HTTP協議，應用主要是網站或內部信息平臺等B/S開發的系統 |
| 案例 | 接受客戶的syn請求，通過上述方式選擇後端指定服務器，並對報文中目標IP地址進行修改，改爲後端服務器IP，TCP連接是直接建立，而負載均衡類似路由器作用 | 如果要根據真正的應用層內容在選擇服務器，則先代理最終服務器和客戶端建立連接（三次握手）後，纔可能接受到客戶端發送的真正應用層內容報文，然後根據該報文中特定字段，加上負載均衡設備的服務器選擇方式，決定最終選擇的內部服務器。此時充當了代理服務器 |