LVS（Linux Virtual Server）概念详解

一、LVS 是什么？

LVS（Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器） 是一个由章文嵩博士在1998年发起并领导的开源项目。它是一个基于Linux操作系统内核的负载均衡解决方案，其核心功能是将来自客户端的网络请求，通过特定的调度算法，分发到后端一组真实服务器（Real Server）上，从而构建一个高性能、高可用的虚拟服务器集群。

LVS工作在传输层（TCP/UDP） ，因此也被称为四层负载均衡。它不解析应用层协议（如HTTP、FTP），而是直接转发IP数据包，这使得它具有极高的处理性能和较低的延迟。

二、LVS 的核心组件与架构

一个典型的LVS集群包含以下几个核心角色：

• 负载均衡器（Load Balancer / Director） ：运行LVS软件（通常是ipvsadm）的Linux服务器。它对外提供一个虚拟IP（Virtual IP, VIP），接收所有客户端请求，并根据调度算法将请求转发给后端的真实服务器。
• 真实服务器群（Real Server Pool）：一组真正提供应用服务的后端服务器。它们通过局域网与负载均衡器相连，处理负载均衡器转发过来的请求。
• 共享存储（可选）：为了保证所有真实服务器提供一致的数据（例如Web内容），通常会使用NFS、分布式文件系统或数据库集群等共享存储。

LVS的架构主要分为三种工作模式，这是理解其概念的关键：

1. NAT 模式（Network Address Translation）

原理：负载均衡器同时作为客户端和真实服务器的网关。请求和响应数据包都需要经过负载均衡器进行地址转换。

• 请求过程：客户端访问VIP → 负载均衡器接收 → 负载均衡器修改目标IP为某台真实服务器的IP（DNAT）并转发 → 真实服务器处理请求。
• 响应过程：真实服务器将响应发送给负载均衡器 → 负载均衡器修改源IP为VIP（SNAT） → 返回给客户端。

优点：真实服务器可以使用任何操作系统，只需配置默认网关为负载均衡器。

缺点：负载均衡器容易成为性能瓶颈，因为所有进出流量都要经过它。

2. TUN 模式（IP Tunneling）

原理：负载均衡器将接收到的请求数据包封装在一个新的IP数据包中（IP隧道），发送给真实服务器。真实服务器解封装后直接响应客户端。

• 请求经过负载均衡器，但响应由真实服务器直接返回给客户端（不经过负载均衡器）。
• 真实服务器需要支持IP隧道协议，并配置隧道接口。

优点：响应流量不经过负载均衡器，减轻了其压力，支持跨网段部署。

缺点：真实服务器需要支持隧道协议，配置稍复杂。

3. DR 模式（Direct Routing）

原理 ：最常用、性能最高的模式。负载均衡器和真实服务器在同一个局域网，且拥有相同的VIP。负载均衡器只修改请求数据包的目标MAC地址为某台真实服务器的MAC，然后通过二层交换转发。真实服务器收到后直接处理，并将响应直接返回给客户端。

• 请求经过负载均衡器调度，响应由真实服务器直接返回。
• 真实服务器需要配置VIP在lo（回环）接口上，并抑制该VIP的ARP响应。

优点：性能极高，负载均衡器只处理入站请求，出站响应压力小。

缺点：要求负载均衡器和真实服务器必须在同一物理网段（二层可达）。

三、LVS 的调度算法

LVS通过多种调度算法来决定将新连接分配给哪台真实服务器：

• 轮询（Round Robin, rr）：将请求依次分配给每台服务器，循环进行。
• 加权轮询（Weighted Round Robin, wrr）：根据服务器权重分配请求，权重高的服务器获得更多连接。
• 最少连接（Least Connections, lc）：将新请求分配给当前连接数最少的服务器。
• 加权最少连接（Weighted Least Connections, wlc）：在最少连接的基础上，考虑服务器的权重。
• 基于局部性的最少连接（Locality-Based Least Connections, lblc） & 带复制的基于局部性的最少连接（lblcr）：适用于缓存集群，将相同目标IP的请求定向到同一台服务器。
• 目标地址散列（Destination Hashing, dh） & 源地址散列（Source Hashing, sh）：根据目标或源IP地址的散列值分配请求，保证同一客户或同一目标总是访问同一台服务器。

四、LVS 的特点与优势

• 高性能：工作在四层，转发效率高，对服务器资源消耗小。
• 高可用性：可与Keepalived等工具结合，实现负载均衡器的故障转移。
• 可扩展性：可以透明地增加或减少真实服务器，以应对流量变化。
• 开源免费：作为Linux内核的一部分，无需额外付费。
• 适用性广：几乎可以为任何基于TCP/UDP的服务（如HTTP、HTTPS、FTP、DNS、数据库）做负载均衡。

五、LVS 的安装及使用

1.安装

[root@lvs-server ~]# dnf install ipvsadm.x86_64 -y

2.lvs软件相关信息

• 程序包：ipvsadm

• Unit File: ipvsadm.service

• 主程序：/usr/sbin/ipvsadm

• 规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save

• 规则重载工具：/usr/sbin/ipvsadm-restore

• 配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config

• ipvs调度规则文件：/etc/sysconfig/ipvsadm

3.命令参数

1.管理集群服务中的增删改
-A  #添加
-E  #修改
-t  #tcp服务
-u  #udp服务
-s  #指定调度算法，默认为WLC
-p  #设置持久连接超时，持久连接可以理解为在同一个时间段同一个来源的请求调度到同一Realserver
-f  #firewall mask 火墙标记，是一个数字

#增加
[root@DR-server ~]# ipvsadm -A -t 172.25.254.100:80 -s rr
[root@DR-server ~]# ipvsadm -A  -f 66  -p 3000
#修改
[root@DR-server ~]# ipvsadm -E -t 172.25.254.100:80  -s wrr -p 3000
#删除
[root@DR-server ~]# ipvsadm -D -t 172.25.254.100:80
[root@DR-server ~]# ipvsadm -D -f 66

2.管理集群中RealServer的曾增删改
-a      #添加realserver
-e      #更改realserver
-t      #tcp协议
-u      #udp协议
-f      #火墙 标签
-r      #realserver地址
-g      #直连路由模式
-i      #ipip隧道模式
-m      #nat模式
-w      #设定权重
-Z      #清空计数器
-C      #清空lvs策略
-L      #查看lvs策略
-n      #不做解析
--rate  #输出速率信息

#添加
[root@DR-server ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.30 -m
[root@DR-server ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.40 -m -w 2
#更改
[root@DR-server ~]# ipvsadm -e -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.30 -m -w 1
[root@DR-server ~]# ipvsadm -e -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.30 -i -w 1
#删除
[root@DR-server ~]# ipvsadm -d -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.30

4.lvs策略保存

#创建策略
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -A -t 172.25.254.100:80 -s rr
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.10 -m
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -a -t 172.25.254.100:80 -r 192.168.0.20 -m

#保存策略到/mnt/ipvsadm_save
[root@lvs-server ~]# ipvsadm-save
-A -t lvs-server:http -s rr
-a -t lvs-server:http -r 192.168.0.10:http -m -w 1
-a -t lvs-server:http -r 192.168.0.20:http -m -w 1
[root@lvs-server ~]# ipvsadm-save   > /mnt/ipvsadm_save

#对策略进行清空
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -C
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

#从保存的文件中重载策略
[root@lvs-server ~]# ipvsadm-restore < ipvsadm_save

5.配置ipvs策略开机生效

#保存策略文件
[root@lvs-server ~]# ipvsadm-save  > /etc/sysconfig/ipvsadm
#配置开机启动
[root@lvs-server ~]# systemctl enable --now ipvsadm.service
#重启
reboot
#重启后仍然生效
[root@lvs-server ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.0.100:80 rr
  -> 192.168.0.10:80              Masq    1      0          0
  -> 192.168.0.20:80              Masq    1      0          0