Linux高可用(HA)之LVS负载均衡三种工作模型原理、10种调度算法和实现

  • A+
所属分类:Linux  Linux集群高可用

LVS负载均衡原理和算法详解

Internet的快速增长使多媒体网络服务器面对的访问数量快速增加,服务器需要具备提供大量并发访问服务的能力,因此对于大负载的服务器来讲,CPU、I/O处理能力很快会成为瓶颈。由于单台服务器的性能总是有限的,简单的提高硬件性能并不能真正解决这个问题。为此,必须采用多服务器和负载均衡技术才能满足大量并发访问的需要。Linux 虚拟服务器(Linux Virtual Servers,LVS) 使用负载均衡技术将多台服务器组成一个虚拟服务器。它为适应快速增长的网络访问需求提供了一个负载能力易于扩展,而价格低廉的解决方案。 LVS是一个开源的软件,可以实现LINUX平台下的简单负载均衡。LVS是Linux Virtual Server的缩写,意思是Linux虚拟服务器。

在调度器的实现技术中,IP负载均衡技术是效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中有通过网络地址转换(Network Address Translation)将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器,我们称之为VS/NAT技术(Virtual Server via Network Address Translation),大多数商品化的IP负载均衡调度器产品都是使用此方法,如Cisco的LocalDirector、F5的Big/IP和 Alteon的ACEDirector。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上,通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN (Virtual Server via IP Tunneling),和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR(Virtual Server via Direct Routing),它们可以极大地提高系统的伸缩性。所以,IPVS软件实现了这三种IP负载均衡技术,它们的大致原理如下。

1,Virtual Server via Network Address Translation(VS/NAT)
通过网络地址转换,调度器重写请求报文的目标地址,根据预设的调度算法,将请求分派给后端的真实服务器;真实服务器的响应报文通过调度器时,报文的源地址被重写,再返回给客户,完成整个负载调度过程

Linux高可用(HA)之LVS负载均衡三种工作模型原理、10种调度算法和实现

2,Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)
VS/DR通过改写请求报文的MAC地址,将请求发送到真实服务器,而真实服务器将响应直接返回给客户。同VS/TUN技术一样,VS/DR技术可极大地 提高集群系统的伸缩性。这种方法没有IP隧道的开销, 对集群中的真实服务器也没有必须支持IP隧道协议的要求,但是要求调度器与真实服务器都有一块网卡连 在同一物理网段上。

Linux高可用(HA)之LVS负载均衡三种工作模型原理、10种调度算法和实现

3,Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)
采用NAT技术时,由于请求和响应报文都必须经过调度器地址重写,当客户请求越来越多时,调度器的处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题,调度器把请求报 文通过IP隧道转发至真实服务器,而真实服务器将响应直接返回给客户,所以调度器只处理请求报文。由于一般网络服务应答比请求报文大许多,采用 VS/TUN技术后,集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。

Linux高可用(HA)之LVS负载均衡三种工作模型原理、10种调度算法和实现

LVS系统结构与特点:

使用LVS架设的服务器集群系统从体系结构上看是透明的,最终用户只感觉到一个虚拟服务器.物理服务器之间可以通过高速的LAN或分布在各地的WAN相连。最前端是负载均衡器,它负责将各种服务请求分发给后面的物理服务器,让整个集群表现得象一个服务于同一IP地址的虚拟服务器
LVS集群系统具有良好的可扩展性和高可用性。 可扩展性是指,LVS集群建立后,可以很容易地根据实际的需要增加或减少物理服务器。而高可用性是指当检测到服务器节点或服务进程出错、失效时,集群系统能够自动进行适当的重新调整系统。

LVS集群采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率,将请求均衡地转移到不同的服务器上执行,且调度器自动屏蔽掉服务器的故障,从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。整个服务器集群的结构对客户是透明的,而且无需修改客户端和服务器端的程序。
为此,在设计时需要考虑系统的透明性、可伸缩性、高可用性和易管理性。

LVS集群采用三层结构,其主要组成部分为:

A、负载调度器(load balancer),它是整个集群对外面的前端机,负责将客户的请求发送到一组服务器上执行,而客户认为服务是来自一个IP地址(我们可称之为虚拟IP地址)上的。

B、服务器池(server pool),是一组真正执行客户请求的服务器,执行的服务有WEB、MAIL、FTP和DNS等。

C、共享存储(shared storage),它为服务器池提供一个共享的存储区,这样很容易使得服务器池拥有相同的内容,提供相同的服务。

针对不同的网络服务需求和服务器配置,IPVS调度器实现了如下十种负载调度算法:

1,轮叫(Round Robin)简称RR
调度器通过"轮叫"调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上,它均等地对待每一台服务器,而不管服务器上实际的连接数和系统负载。

2,加权轮叫(Weighted Round Robin) 简称WRR
调度器通过"加权轮叫"调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。 这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。

3,最少链接(Least Connections)简称LC
调度器通过"最少连接"调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。 如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能,采用"最小连接"调度算法可以较好地均衡负载。

4,加权最少链接(Weighted Least Connections)简称WLC
在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下,调度器采用"加权最少链接"调度算法优化负载均衡性能,具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。

5,基于局部性的最少链接(Locality-Based Least Connections)简称LBLC
"基于局部性的最少链接" 调度算法是针对目标IP地址的负载均衡,目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器,若该服务器 是可用的且没有超载,将请求发送到该服务器;若服务器不存在,或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载,则用"最少链接"的原则选出一个可用的服务 器,将请求发送到该服务器。

6,带复制的基于局部性最少链接(Locality-Based Least Connections with Replication)简称LBLCR
"带复制的基于局部性最少链接"调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡,目前主要用于Cache集群系统。它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个 目标IP地址到一组服务器的映射,而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务 器组,按"最小连接"原则从服务器组中选出一台服务器,若服务器没有超载,将请求发送到该服务器,若服务器超载;则按"最小连接"原则从这个集群中选出一 台服务器,将该服务器加入到服务器组中,将请求发送到该服务器。同时,当该服务器组有一段时间没有被修改, 将最忙的服务器从服务器组中删除,以降低复制的 程度。

7,目标地址散列调度(Destination Hashing)简称DH
算法也是针对目标IP地址的负载均衡,但它是一种静态映射算法,通过一个散列(Hash)函数将一个目标IP地址映射到一台服务器。目标地址散列调度算法先根据请求的目标IP地址,作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器,若该服务器是可用的且未超载,将请求发送到该服务器,否则返回空。

8,源地址散列调度(Source Hashing)简称SH
算法正好与目标地址散列调度算法相反,它根据请求的源IP地址,作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器,若该服务器是可用的且未超载,将请求发送到该服务器,否则返回空。它采用的散列函数与目标地址散列调度算法的相同。除了将请求的目标IP地址换成请求的源IP地址外,它的算法流程与目标地址散列调度算法的基本相似。在实际应用中,源地址散列调度和目标地址散列调度可以结合使用在防火墙集群中,它们可以保证整个系统的唯一出入口。

9,最短的期望的延迟(shortest expected delay scheduling)简称sed
基于wlc算法,举例说明
ABC三台机器分别权重123,连接数也分别是123,name如果使用WLC算法的话一个新请求 进入时他可能会分给ABC中任意一个,使用SED算法后会进行这样一个运算.
A:(1+1)/2
B:(1+2)/2
C:(1+3)/3
根据运算结果,把连接交给C

10,最少队列调度(never queue scheduling)简称nq
无需列队,如果有台realserver的连接数=0 就直接分配过去,不需要进行sed运算 .

lookback

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: