说说LVS是什么？

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LVS 是什么？

LVS (Linux Virtual Server)，中文名是 Linux 虚拟服务器，是一个开源的、基于 Linux 内核的 高性能、高可用 的 IP 负载均衡 系统。 它是由章文嵩博士主导开发的，并贡献给了 Linux 开源社区。

核心概念：

• 负载均衡 (Load Balancing): LVS 的核心功能是将客户端的请求 均衡地分发 到后端多台真实服务器 (Real Server, RS) 上，从而提高整个系统的 吞吐量、性能和可用性。
• IP 负载均衡: LVS 工作在 网络层 (Layer 4)，主要基于 IP 地址和端口进行负载均衡。它关注的是网络连接的建立和数据包的转发，而不是应用层的内容。
• Linux 内核: LVS 是构建在 Linux 内核中的，这意味着它具有 高性能和高效率。内核级别的操作通常比用户空间的操作更快。
• 虚拟服务器 (Virtual Server): LVS 通过虚拟 IP 地址 (Virtual IP Address, VIP) 对外提供服务。客户端访问 VIP，实际上请求会被 LVS 转发到后端的真实服务器。

LVS 的作用和解决的问题：

在现代互联网架构中，单台服务器往往无法承受高并发、大流量的访问压力。LVS 的出现就是为了解决这个问题：

• 提高系统性能和吞吐量: 通过将请求分发到多台服务器并行处理，显著提升系统的整体处理能力。
• 提高系统可用性和容错性: 当后端某台服务器出现故障时，LVS 可以自动将请求转发到其他健康的服务器，保证服务的持续可用性，避免单点故障。
• 实现服务器集群的扩展性: 可以方便地添加或移除后端服务器，实现集群的动态扩展，应对不断增长的业务需求。
• 隐藏后端服务器的真实 IP 地址: 客户端只需要访问 VIP，无需知道后端服务器的具体信息，增强了后端服务器的安全性。

LVS 的组成部分 (核心组件)：

LVS 主要由以下几个核心组件组成：

1. IPVS (IP Virtual Server): 这是 LVS 的 核心模块，运行在 Linux 内核空间。它负责实现 负载均衡算法 和 连接调度，将客户端请求转发到后端服务器。IPVS 提供了多种负载均衡算法，例如轮询 (Round Robin)、加权轮询 (Weighted Round Robin)、最少连接 (Least Connection) 等。
2. IPVS 管理工具 (ipvsadm): 这是一个 用户空间工具，用于 配置和管理 IPVS。管理员可以使用 ipvsadm 命令来定义虚拟服务器、添加和删除真实服务器、配置负载均衡算法、查看 LVS 状态等。
3. 真实服务器 (Real Server, RS): 后端实际处理业务请求的服务器。可以是 Web 服务器、应用服务器、数据库服务器等。

LVS 的工作模式 (数据包转发方式)：

LVS 主要有四种工作模式，也称为数据包转发方式：

1. NAT 模式 (Network Address Translation): 网络地址转换模式
2. 原理: 当客户端请求到达 LVS (Director Server, DS) 时，DS 会修改 目标 IP 地址 为后端真实服务器 (RS) 的 IP 地址，同时修改 源端口 为 LVS 自身的端口。RS 处理完请求后，响应数据包会先返回给 DS，DS 再修改 源 IP 地址 为 VIP，目标端口 为客户端端口，最终将响应返回给客户端。
3. 特点:RS 可以使用私有 IP 地址: RS 可以和 DS 不在同一个网段，只需要能路由到 DS 即可。RS 的网关指向 DS: RS 的默认网关需要指向 DS。性能相对较低: 所有请求和响应都需要经过 DS 进行地址转换，DS 成为瓶颈。配置简单: 配置相对简单，易于理解。
4. 适用场景: 后端服务器数量较少，对性能要求不高，但对安全性要求较高的场景。
5. DR 模式 (Direct Routing): 直接路由模式
6. 原理: 当客户端请求到达 DS 时，DS 只修改 目标 MAC 地址 为 RS 的 MAC 地址，源 IP 和目标 IP 地址保持不变。RS 接收到请求后，发现目标 IP 是 VIP (需要配置 VIP 在 RS 上)，就会直接处理请求，并将响应 直接返回给客户端，不再经过 DS。
7. 特点:性能最高: 请求只经过 DS，响应直接返回客户端，DS 只负责调度，性能很高。RS 和 DS 必须在同一个物理网络: 因为需要修改 MAC 地址，所以 RS 和 DS 必须在同一个广播域 (通常是同一个 VLAN)。RS 需要配置 VIP: 需要在 RS 上配置 VIP 的 IP 地址，但不需要监听端口。配置相对复杂: 配置比 NAT 模式稍复杂。
8. 适用场景: 对性能要求非常高，后端服务器数量较多，且服务器都在同一个物理网络的场景。是 LVS 最常用的模式。
9. TUN 模式 (IP Tunneling): IP 隧道模式
10. 原理: 当客户端请求到达 DS 时，DS 将请求数据包 封装在一个新的 IP 隧道包 中，新的 IP 包的 目标 IP 地址 是 RS 的 IP 地址，源 IP 地址 是 DS 的 IP 地址。RS 接收到隧道包后，解封装得到原始请求数据包，并进行处理。RS 处理完请求后，响应数据包 直接返回给客户端，不再经过 DS。
11. 特点:RS 可以使用公网 IP 地址: RS 可以和 DS 不在同一个物理网络，甚至可以分布在不同的地理位置。RS 需要支持 IP 隧道协议: RS 的内核需要支持 IP 隧道协议 (例如 IPIP 协议)。性能较高: 请求只经过 DS，响应直接返回客户端，性能较高，但略低于 DR 模式。配置相对复杂: 配置比 NAT 模式复杂，需要配置 IP 隧道。
12. 适用场景: 后端服务器分布在不同地理位置，需要跨网络进行负载均衡的场景。
13. FULLNAT 模式 (Full Network Address Translation): 完全网络地址转换模式 (也称为三角模式)
14. 原理: FULLNAT 模式结合了 NAT 和 DR 模式的一些特点。当客户端请求到达 DS 时，DS 会同时修改 源 IP 地址 和 目标 IP 地址。源 IP 地址会被修改为 DS 自身的 IP 地址，目标 IP 地址会被修改为 RS 的 IP 地址。RS 处理完请求后，响应数据包会返回给 DS，DS 再修改 源 IP 地址 为 VIP，目标 IP 地址 为客户端 IP 地址，最终将响应返回给客户端。
15. 特点:RS 可以使用任意 IP 地址: RS 可以使用私有 IP 地址，也可以使用公网 IP 地址，甚至可以和 DS 不在同一个网段。RS 的网关不需要指向 DS: RS 的网关可以指向任意地址，不需要指向 DS。支持修改请求端口和响应端口: FULLNAT 模式可以修改请求的目标端口和响应的源端口，实现更灵活的端口映射。性能介于 NAT 和 DR 之间: 性能比 NAT 模式好，但比 DR 模式稍差。配置相对复杂: 配置比 NAT 和 DR 模式都复杂。
16. 适用场景: 需要更灵活的 IP 地址和端口配置，例如后端服务器 IP 地址不固定，或者需要进行端口映射的场景。

LVS 的负载均衡算法：

IPVS 提供了多种负载均衡算法，常用的有：

• 静态调度算法:
• RR (Round Robin): 轮询，依次将请求分发到每个 RS。
• WRR (Weighted Round Robin): 加权轮询，根据 RS 的权重分配请求，权重高的 RS 分配更多请求。
• SH (Source Hashing): 源地址哈希，将来自同一个源 IP 地址的请求始终调度到同一个 RS。
• DH (Destination Hashing): 目标地址哈希，将发往同一个目标 IP 地址的请求始终调度到同一个 RS。
• 动态调度算法:
• LC (Least Connection): 最少连接，将请求分发到当前连接数最少的 RS。
• WLC (Weighted Least Connection): 加权最少连接，在最少连接的基础上，考虑 RS 的权重。
• SED (Shortest Expected Delay): 最短预期延迟，考虑当前连接数和权重，选择预期延迟最短的 RS。
• NQ (Never Queue): 永不排队，如果 RS 的连接数小于其权重，则直接调度，否则轮询调度。

LVS 的优势：

• 高性能: 内核级别的负载均衡，性能非常高，能够处理大量的并发连接。
• 高可用性: 可以实现故障转移，保证服务的持续可用性。
• 可扩展性: 可以方便地添加或移除后端服务器，实现集群的动态扩展。
• 灵活性: 支持多种负载均衡算法和工作模式，可以根据不同的场景选择合适的配置。
• 开源免费: 基于 Linux 内核，开源免费，降低了使用成本。
• 稳定性: 经过长时间的实际应用验证，非常稳定可靠。

LVS 的不足：

• 配置相对复杂: 相比于一些用户空间的负载均衡软件 (如 Nginx、HAProxy)，LVS 的配置相对复杂一些，需要对网络知识有一定的了解。
• 缺乏灵活的应用层特性: LVS 主要工作在网络层，对于应用层 (Layer 7) 的特性支持较弱，例如无法根据 URL、Header 等信息进行更精细的路由和负载均衡。

LVS vs. Nginx/HAProxy:

• LVS: 工作在网络层 (Layer 4)，性能更高，更适合做大规模的 IP 负载均衡，但配置相对复杂，应用层特性较弱。
• Nginx/HAProxy: 工作在应用层 (Layer 7) 和网络层 (Layer 4)，配置更灵活，应用层特性更丰富 (如 URL 路由、Header 修改等)，但性能相对 LVS 较低，更适合做 Web 应用的负载均衡和反向代理。

总结：

LVS 是一个非常强大且成熟的 IP 负载均衡系统，尤其适用于需要 高性能、高可用性 的大规模网络应用场景。它以其内核级别的效率和多种灵活的工作模式，成为构建高可用服务器集群的重要基石。 虽然配置相对复杂，但其强大的性能和稳定性使其在很多大型互联网公司和数据中心中得到广泛应用。