lvs技术

椿．湫2026-07-31 10:52

是什么集群？

集群：为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统。由多台主机构成，但对外只能表现为一个整体，只提供一个访问入口（域名或者ip地址），相当于一个大型计算机。

集群的类型

负载均衡群集（Load Balance Cluster)

  • 提高应用系统的响应能力、尽可能处理更多的访问请求、减少延迟为目标，获得高并发、高负载（LB）的整体性能

  • LB的负载分配依赖于主节点的分流算法，将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点，从而缓解整个系统的负载压力。例如，"DNS轮询""反向代理"等

高可用群集(High Availiablity Cluster)

  • 提高应用系统的可靠性、尽可能地减少中断时间为目标，确保服务的连续性，达到高可用（HA）的容错效果

  • HA的工作方式包括双工和主从两种模式，双工即所有节点同时在线;主从则只有主节点在线，但当出现故障时从节点能自动切换为主节点。例如，"故障切换" "双机热备" 等

高性能运算群集(High Performance Computing Cluster)

  • 提高应用系统的CPU运算速度、扩展硬件资源和分析能力为目标，获得相当于大型、超级计算机的高性能运算（HPC）能力

  • 高性能依赖于"分布式运算"、"并行计算"，通过专用硬件和软件将多个服务器的CPU、内存等资源整合在一起，实现只有大型、超级计算机才具备的计算能力。例如"云计算"、"网格计算"

lvs是什么？

LVS： 是Linux Virtual Server的简写，也就是Linux 虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统，本项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。

LVS 实际上相当于基于 IP 地址的虚拟化应用，为基于 IP 地址和内容请求分发的负载均衡提出了高效的解决方法，现在 LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分。

LVS概念

  • VS：Virtual Server
  • RS：Real Server
  • CIP：Client IP
  • VIP: Virtual serve IP VS外网的IP
  • DIP: Director IP VS内网的IP
  • RIP: Real server IP

访问流程：CIP<-->VIP == DIP<-->RIP

lvs集群的类型

  • lvs-nat： 修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT
  • lvs-dr： 操纵封装新的MAC地址
  • lvs-tun： 在原请求IP报文之外新加一个IP首部
  • lvs-fullnat： 修改请求报文的源和目标IP

LVS的作用

作用：

  • 主要用于多服务器的负载均衡；
  • 工作在网络层，可实现高性能，高可用的服务器集群技术；
  • 廉价，可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器；
  • 易用，配置简单，有多种负载均衡的方法；
  • 稳定可靠，即使在集群的服务器中某台服务器无法正常工作，也不影响整体效果；
  • 可扩展性好；

nat模式实现

什么是NAT模式？

本质是多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某挑出的RS的RIP和PORT实现转发

RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址;RS的网关要指向DIP

请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈

支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT

VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统

NAT模式数据逻辑

1.客户端发送访问请求，请求数据包中含有请求来源（cip），访问目标地址（VIP）访问目标端口 （9000port）

2.VS服务器接收到访问请求做DNAT把请求数据包中的目的地由VIP换成RS的RIP和相应端

3.RS1相应请求，发送响应数据包，包中的相应保温为数据来源（RIP1）响应目标（CIP）相应端口 （9000port）

4.VS服务器接收到响应数据包，改变包中的数据来源（RIP1-->VIP）,响应目标端口（9000-->80）

5.VS服务器把修改过报文的响应数据包回传给客户端

6.lvs的NAT模式接收和返回客户端数据包时都要经过lvs的调度机，所以lvs的调度机容易阻塞

环境部署

复制代码 
[root@RS1 ~]# dnf install httpd -y
[root@RS1 ~]# systemctl enable --now httpd
[root@RS1 ~]# echo RS1 - 192.168.0.10 > /var/www/html/index.html

[root@RS2 ~]# dnf install httpd -y
[root@RS2 ~]# systemctl enable --now httpd
[root@RS2 ~]# echo RS2 - 192.168.0.20 > /var/www/html/index.html

环境测试

开启内核路由功能，编写策略

复制代码 
开启内核路由功能
[root@vsnode ~]# echo net.ipv4.ip_forward=1 >> /etc/sysctl.conf
[root@vsnode ~]# sysctl  -p
net.ipv4.ip_forward = 1

编写策略
[root@vsnode ~]# ipvsadm -C
[root@vsnode ~]# ipvsadm -A -t 192.168.106.100:80 -s wrr
[root@vsnode ~]# ipvsadm -a -t 192.168.106.100:80 -r 192.168.0.10:80 -m  -w 1
[root@vsnode ~]# ipvsadm -a -t 192.168.106.100:80 -r 192.168.0.20:80 -m  -w 1
[root@vsnode ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.106.100:80 wrr
  -> 192.168.0.10:80              Masq    1      0          0
  -> 192.168.0.20:80              Masq    1      0          0

测试（windows中）

更改权重并测试

DR模式实现

1.什么是DR？

DR：Direct Routing，直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行 转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源 IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变

2.DR模式数逻辑

在DR模式中，RS接收到访问请求后不需要回传给VS调度器，直接把回传数据发送给client，所以RS和vs 上都要有vip

3.DR模式数据传输过程

1.客户端发送数据帧给vs调度主机帧中内容为客户端IP+客户端的MAC+VIP+VIP的MAC

2.VS调度主机接收到数据帧后把帧中的VIP的MAC该为RS1的MAC，此时帧中的数据为客户端IP+客户端 的MAC+VIP+RS1的MAC

3.RS1得到2中的数据包做出响应回传数据包，数据包中的内容为VIP+RS1的MAC+客户端IP+客户端IP的 MAC

环境部署

|--------|-------------------------------------|---|
| 主机名 | IP | |
| router | nat192.168.106.100 仅主机192.168.0.100 | |
| lvs | 仅主机192.168.0.50 | |
| client | 192.168.106.99 | |
| rs1 | 仅主机192.168.0.10 | |
| rs2 | 仅主机192.168.0.20 | |

DR实验部署

复制代码 
#在路由器中
[root@router ~]# systemctl disable --now ipvsadm.service
Removed "/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ipvsadm.service".
[root@router ~]# ipvsadm -C


#设定内核路由功能
[root@router ~]# echo net.ipv4.ip_forward=1 >> /etc/sysctl.conf
[root@router ~]# sysctl  -p
net.ipv4.ip_forward = 1

#数据转发策略
[root@router ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth1 -j SNAT --to-source 192.168.0.100

复制代码 
[root@vsnode ~]# vim /etc/NetworkManager/system-connections/eth0.nmconnection
[connection]
id=eth0
type=ethernet
interface-name=eth0

[ipv4]
method=manual
address1==192.168.0.50/24,192.168.0.100

[root@vsnode ~]# cd  /etc/NetworkManager/system-connections/
[root@vsnode system-connections]#  cp -p eth0.nmconnection lo.nmconnection
[root@vsnode system-connections]# vim lo.nmconnection
[connection]
id=lo
type=loopback
interface-name=lo


[ipv4]
method=manual
address1==127.0.0.1/8
address2=192.168.0.200/32

[root@RS1 system-connections]# nmcli connection reload
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection up eth0
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/7）
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection up  lo
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/8）


#检测
root@vsnode system-connections]# route  -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.0.100   0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0
192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0
[root@vsnode system-connections]# ip a
复制代码 
[root@client ~]# vim /etc/NetworkManager/system-connections/eth0.nmconnection
[connection]
id=eth0
type=ethernet
interface-name=eth0

[ipv4]
method=manual
address1=192.168.106.99/24,192.168.106.100
dns=8.8.8.8;

[root@client ~]# nmcli connection reload
[root@client ~]# nmcli connection up eth0
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/5）
[root@client ~]# route  -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.106.100  0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
192.168.106.0    0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0


#检测
[root@client ~]# ping 192.168.0.200
复制代码 
[root@RS1 ~]# vmset.sh eth0 192.168.0.10 RS1 noroute
[root@RS1 ~]# nmcli connection modify eth0 ipv4.gateway 192.168.0.100
[root@RS1 ~]# nmcli connection reload
[root@RS1 ~]# nmcli connection up eth0
[root@RS1 ~]# route  -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.0.100   0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0

#在lo上设定vip
[root@RS1 ~]# cd /etc/NetworkManager/system-connections/
[root@RS1 system-connections]# cp -p eth0.nmconnection lo.nmconnection
[root@RS1 system-connections]# vim lo.nmconnection
[connection]
id=lo
type=loopback
interface-name=lo

[ethernet]

[ipv4]
address1=127.0.0.1/8
address2=192.168.0.200/32
method=manual

[root@RS1 system-connections]# nmcli connection reload
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection up lo
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/6）
[root@RS1 system-connections]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 192.168.0.200/32 scope global lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
       
 #arp禁止响应
[root@rs1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
[root@rs1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
[root@rs1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
[root@rs1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
复制代码 
[root@RS2 ~]# vmset.sh eth0 192.168.0.20 RS2 noroute
[root@RS2 ~]# nmcli connection modify eth0 ipv4.gateway 192.168.0.100
[root@RS2 ~]# nmcli connection reload
[root@RS2 ~]# nmcli connection up eth0
[root@RS2 ~]# route  -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.0.100   0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0

#在lo上设定vip
[root@RS2 ~]# cd /etc/NetworkManager/system-connections/
[root@RS2 system-connections]# cp -p eth0.nmconnection lo.nmconnection
[root@RS2 system-connections]# vim lo.nmconnection
[connection]
id=lo
type=loopback
interface-name=lo

[ethernet]

[ipv4]
address1=127.0.0.1/8
address2=192.168.0.200/32
method=manual

[root@RS2 system-connections]# nmcli connection reload
[root@RS2 system-connections]# nmcli connection up lo
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/6）
[root@RS2 system-connections]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 192.168.0.200/32 scope global lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
       
#arp禁止响应
[root@rs2 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
[root@rs2 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
[root@rs2 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
[root@rs2 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

TUN模式

转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部 （源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP 是CIP

TUN模式数据传输过程

1.客户端发送请求数据包，包内有源IP+vip+dport

2.到达vs调度器后对客户端发送过来的数据包重新封装添加IP报文头，新添加的IP报文头中包含 TUNSRCIP(DIP)+TUNDESTIP(RSIP1)并发送到RS1

3.RS收到VS调度器发送过来的数据包做出响应，生成的响应报文中包含SRCIP(VIP)+DSTIP（CIP） +port，响应数据包通过网络直接回传给client

TUN模式特点

1.DIP, VIP, RIP都应该是公网地址

2.RS的网关一般不能指向DIP

3.请求报文要经由Director，但响应不能经由Director

4.不支持端口映射

5.RS的OS须支持隧道功能

fullnet模式（了解）

fullnat：通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发

CIP --> DIP

VIP --> RIP

1.VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP

2.RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client

3.请求和响应报文都经由Director

4.支持端口映射

lvs的调度算法

lvs调度算法类型

ipvs scheduler：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态被分为两种：静态方法和动态方法

静态方法：仅根据算法本身进行调度，不考虑RS的负载情况

动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value较小的RS将被调度

lvs静态调度算法

1、RR：roundrobin 轮询 RS分别被调度，当RS配置有差别时不推荐

2、WRR：Weighted RR，加权轮询根据RS的配置进行加权调度，性能差的RS被调度的次数少 3、SH：Source Hashing，实现session sticky，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往 第一次挑中的RS，从而实现会话绑定

4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续将发往同一个目标地址的请 求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡，如：宽带运营商

lvs动态调度算法 主要根据RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value较小的RS会被调度

1、LC：least connections（最少链接发） 适用于长连接应用Overhead（负载值）=activeconns（活动链接数） x 256+inactiveconns（非活 动链接数）

2、WLC：Weighted LC（权重最少链接） 默认调度方法Overhead=(activeconns x 256+inactiveconns)/weight

3、SED：Shortest Expection Delay, 初始连接高权重优先Overhead=(activeconns+1+inactiveconns) x 256/weight 但是，当node1的权重为1，node2的权重为10，经过运算前几次的调度都会被node2承接

4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED

5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理

6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制 到负载轻的RS

lvs的多端口轮询问题

利用火墙标记解决轮询错误

轮询错误展示

解决方案：使用火墙标记访问vip的80和443的所有数据包，设定标记为6666，然后对此标记进行负载

lvs的会话粘滞问题

在我们客户上网过程中有很多情况下需要和服务器进行交互，客户需要提交响应信息给服务器，如果单纯的进行调度会导致客户填写的表单丢失，为了解决这个问题我们可以用sh算法，但是sh算法比较简单粗暴，可能会导致调度失衡

解决方案

在进行调度时，不管用什么算法，只要相同源过来的数据包我们就把他的访问记录在内存中，也就是把这个源的主机调度到了那个RS上

如果在短期（默认360S）内同源再来访问我仍然按照内存中记录的调度信息，把这个源的访问还调度到同一台RS上。

如果过了比较长的时间（默认最长时间360s）同源访问再次来访，那么就会被调度到其他的RS上

ipvsadm -AlE -tlulf service-address -s scheduler -p \[timeout]默认360秒

在lvs调度器中设定

复制代码 
[root@lvs ~]# ipvsadm -E -f 6666 -s rr -p [3000]

[root@lvs ~]# ipvsadm -LnC
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