大型網站架構系列：負載均衡詳解（4）

本文是負載均衡詳解的第四篇，主要介紹了LVS的三種請求轉發模式和八種負載均衡算法，以及Haproxy的特點和負載均衡算法。具體參考文章，詳見最后的鏈接。

三、LVS負載均衡

LVS是一個開源的軟件，由畢業于國防科技大學的章文嵩博士于1998年5月創立，用來實現Linux平臺下的簡單負載均衡。LVS是Linux Virtual Server的縮寫，意思是Linux虛擬服務器。

基于IP層的負載均衡調度技術，它在操作系統核心層上，將來自IP層的TCP/UDP請求均衡地轉移到不同的?服務器，從而將一組服務器構成一個高性能、高可用的虛擬服務器。

操作系統：Liunx

開發語言：C

并發性能：默認4096，可以修改但需要重新編譯。

3.1.功能

LVS的主要功能是實現IP層（網絡層）負載均衡，有NAT,TUN,DR三種請求轉發模式。

3.1.1LVS/NAT方式的負載均衡集群

NAT是指Network Address Translation，它的轉發流程是：Director機器收到外界請求，改寫數據包的目標地址，按相應的調度算法將其發送到相應Real Server上，Real Server處理完該請求后，將結果數據包返回到其默認網關，即Director機器上，Director機器再改寫數據包的源地址，最后將其返回給外界。這樣就完成一次負載調度。

構架一個最簡單的LVS/NAT方式的負載均衡集群Real Server可以是任何的操作系統，而且無需做任何特殊的設定，惟一要做的就是將其默認網關指向Director機器。Real Server可以使用局域網的內部IP(192.168.0.0/24)。Director要有兩塊網卡，一塊網卡綁定一個外部IP地址 (10.0.0.1)，另一塊網卡綁定局域網的內部IP(192.168.0.254)，作為Real Server的默認網關。

LVS/NAT方式實現起來最為簡單，而且Real Server使用的是內部IP，可以節省Real IP的開銷。但因為執行NAT需要重寫流經Director的數據包，在速度上有一定延遲；

當用戶的請求非常短，而服務器的回應非常大的情況下，會對Director形成很大壓力，成為新的瓶頸，從而使整個系統的性能受到限制。

3.1.2LVS/TUN方式的負載均衡集群

TUN是指IP Tunneling，它的轉發流程是：Director機器收到外界請求，按相應的調度算法,通過IP隧道發送到相應Real Server，Real Server處理完該請求后，將結果數據包直接返回給客戶。至此完成一次負載調度。

最簡單的LVS/TUN方式的負載均衡集群架構使用IP Tunneling技術，在Director機器和Real Server機器之間架設一個IP Tunnel，通過IP Tunnel將負載分配到Real Server機器上。Director和Real Server之間的關系比較松散，可以是在同一個網絡中，也可以是在不同的網絡中，只要兩者能夠通過IP Tunnel相連就行。收到負載分配的Real Server機器處理完后會直接將反饋數據送回給客戶，而不必通過Director機器。實際應用中，服務器必須擁有正式的IP地址用于與客戶機直接通信，并且所有服務器必須支持IP隧道協議。

該方式中Director將客戶請求分配到不同的Real Server，Real Server處理請求后直接回應給用戶，這樣Director就只處理客戶機與服務器的一半連接，極大地提高了Director的調度處理能力，使集群系統能容納更多的節點數。另外TUN方式中的Real Server可以在任何LAN或WAN上運行，這樣可以構筑跨地域的集群，其應對災難的能力也更強，但是服務器需要為IP封裝付出一定的資源開銷，而且后端的Real Server必須是支持IP Tunneling的操作系統。

3.3.3LVS/TUN方式的負載均衡集群

DR是指Direct Routing，它的轉發流程是：Director機器收到外界請求，按相應的調度算法將其直接發送到相應Real Server，Real Server處理完該請求后，將結果數據包直接返回給客戶，完成一次負載調度。

構架一個最簡單的LVS/DR方式的負載均衡集群Real Server和Director都在同一個物理網段中，Director的網卡IP是192.168.0.253，再綁定另一個IP： 192.168.0.254作為對外界的virtual IP，外界客戶通過該IP來訪問整個集群系統。Real Server在lo上綁定IP：192.168.0.254，同時加入相應的路由。

LVS/DR方式與前面的LVS/TUN方式有些類似，前臺的Director機器也是只需要接收和調度外界的請求，而不需要負責返回這些請求的反饋結果，所以能夠負載更多的Real Server，提高Director的調度處理能力，使集群系統容納更多的Real Server。但LVS/DR需要改寫請求報文的MAC地址，所以所有服務器必須在同一物理網段內。

3.3架構

LVS架設的服務器集群系統有三個部分組成：最前端的負載均衡層（Loader Balancer），中間的服務器群組層，用Server Array表示，最底層的數據共享存儲層，用Shared Storage表示。在用戶看來所有的應用都是透明的，用戶只是在使用一個虛擬服務器提供的高性能服務。

LVS的體系架構如圖：

LVS的各個層次的詳細介紹：

Load Balancer層：位于整個集群系統的最前端，有一臺或者多臺負載調度器（Director Server）組成，LVS模塊就安裝在Director Server上，而Director的主要作用類似于一個路由器，它含有完成LVS功能所設定的路由表，通過這些路由表把用戶的請求分發給Server Array層的應用服務器（Real Server）上。同時，在Director Server上還要安裝對Real Server服務的監控模塊Ldirectord，此模塊用于監測各個Real Server服務的健康狀況。在Real Server不可用時把它從LVS路由表中剔除，恢復時重新加入。

Server Array層：由一組實際運行應用服務的機器組成，Real Server可以是WEB服務器、MAIL服務器、FTP服務器、DNS服務器、視頻服務器中的一個或者多個，每個Real Server之間通過高速的LAN或分布在各地的WAN相連接。在實際的應用中，Director Server也可以同時兼任Real Server的角色。

Shared Storage層：是為所有Real Server提供共享存儲空間和內容一致性的存儲區域，在物理上，一般有磁盤陣列設備組成，為了提供內容的一致性，一般可以通過NFS網絡文件系統共享數據，但是NFS在繁忙的業務系統中，性能并不是很好，此時可以采用集群文件系統，例如Red hat的GFS文件系統，oracle提供的OCFS2文件系統等。

從整個LVS結構可以看出，Director Server是整個LVS的核心，目前，用于Director Server的操作系統只能是Linux和FreeBSD，linux2.6內核不用任何設置就可以支持LVS功能，而FreeBSD作為 Director Server的應用還不是很多，性能也不是很好。對于Real Server，幾乎可以是所有的系統平臺，Linux、windows、Solaris、AIX、BSD系列都能很好的支持。

3.4均衡策略

LVS默認支持八種負載均衡策略，簡述如下：

3.4.1.輪詢調度（Round Robin）

調度器通過“輪詢”調度算法將外部請求按順序輪流分配到集群中的真實服務器上，它均等地對待每一臺服務器，而不管服務器上實際的連接數和系統負載。

3.4.2.加權輪詢（Weighted Round Robin）

調度器通過“加權輪詢”調度算法根據真實服務器的不同處理能力來調度訪問請求。這樣可以保證處理能力強的服務器能處理更多的訪問流量。調度器可以自動問詢真實服務器的負載情況，并動態地調整其權值。

3.4.3.最少鏈接（Least Connections）

調度器通過“最少連接”調度算法動態地將網絡請求調度到已建立的鏈接數最少的服務器上。如果集群系統的真實服務器具有相近的系統性能，采用“最小連接”調度算法可以較好地均衡負載。

3.4.4.加權最少鏈接（Weighted Least Connections）

在集群系統中的服務器性能差異較大的情況下，調度器采用“加權最少鏈接”調度算法優化負載均衡性能，具有較高權值的服務器將承受較大比例的活動連接負載。調度器可以自動問詢真實服務器的負載情況，并動態地調整其權值。

3.4.5.基于局部性的最少鏈接（Locality-Based Least Connections）

“基于局部性的最少鏈接”調度算法是針對目標IP地址的負載均衡，目前主要用于Cache集群系統。該算法根據請求的目標IP地址找出該目標IP地址最近使用的服務器，若該服務器是可用的且沒有超載，將請求發送到該服務器；若服務器不存在，或者該服務器超載且有服務器處于一半的工作負載，則用“最少鏈接” 的原則選出一個可用的服務器，將請求發送到該服務器。

3.4.6.帶復制的基于局部性最少鏈接（Locality-Based Least Connections with Replication）

“帶復制的基于局部性最少鏈接”調度算法也是針對目標IP地址的負載均衡，目前主要用于Cache集群系統。它與LBLC算法的不同之處是它要維護從一個目標IP地址到一組服務器的映射，而LBLC算法維護從一個目標IP地址到一臺服務器的映射。該算法根據請求的目標IP地址找出該目標IP地址對應的服務器組，按“最小連接”原則從服務器組中選出一臺服務器，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”原則從這個集群中選出一臺服務器，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，以降低復制的程度。

3.4.7.目標地址散列（Destination Hashing）

“目標地址散列”調度算法根據請求的目標IP地址，作為散列鍵（Hash Key）從靜態分配的散列表找出對應的服務器，若該服務器是可用的且未超載，將請求發送到該服務器，否則返回空。

3.4.8.源地址散列（Source Hashing）

“源地址散列”調度算法根據請求的源IP地址，作為散列鍵（Hash Key）從靜態分配的散列表找出對應的服務器，若該服務器是可用的且未超載，將請求發送到該服務器，否則返回空。

除具備以上負載均衡算法外，還可以自定義均衡策略。

3.5場景

一般作為入口負載均衡或內部負載均衡，結合反向代理服務器使用。相關架構可參考Ngnix場景架構。

4、HaProxy負載均衡

HAProxy也是使用較多的一款負載均衡軟件。HAProxy提供高可用性、負載均衡以及基于TCP和HTTP應用的代理，支持虛擬主機，是免費、快速并且可靠的一種解決方案。特別適用于那些負載特大的web站點。運行模式使得它可以很簡單安全的整合到當前的架構中，同時可以保護你的web服務器不被暴露到網絡上。