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  • LINUX服务器集群系统

    计算机技术已进入以网络为中心的计算时期。由于客户/服务器模型的简单性、易管理性和易维护性,客户/服务器计算模式在网上被大量采用。在九十年代中期,万维网(World Wide Web)的出现以其简单操作方式将图文并茂的网上信息带给普通大众,Web也正在从一种内容发送机制成为一种服务平台,大量的服务和应用(如新闻服务、网上银行、电子商务等)都是围绕着Web进行。这促进Internet用户剧烈增长和Internet流量爆炸式地增长,下图显示了1995至2000年与Internet连接主机数的变化情况,可见增长趋势较以往更迅猛。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: LINUX服务器集群系统
    类 型: 后端服务器 国 家: 美国
    时 间: 1985

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    背景/LINUX服务器集群系统 编辑

    LINUX服务器集群系统 LINUX服务器集群系统

    IP虚拟服务器软件IPVS/LINUX服务器集群系统 编辑

    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,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,提出通过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:

    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。

    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。

    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。

    针对不同的网络服务需求和服务器配置,IPVS调度器实现了如下八种负载调度算法:

    轮询(Round Robin)

    调度器通过"轮询"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。

    加权轮询(Weighted Round Robin)

    调度器通过"加权轮询"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。

    最少链接(Least Connections)

    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。

    加权最少链接(Weighted Least Connections)

    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。

    基于局部性的最少链接(Locality-Based Least Connections)

    "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。

    带复制的基于局部性最少链接(Locality-Based Least Connections with Replication)

    "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。

    目标地址散列(Destination Hashing)

    "目标地址散列"调度算法根据请求的目标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。

    源地址散列(Source Hashing)

    "源地址散列"调度算法根据请求的源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。

    内核Layer7交换机KTCPVS/LINUX服务器集群系统 编辑

    在基于IP负载调度技术中,当一个TCP连接的初始SYN报文到达时,调度器就选择一台服务器,将报文转发给它。此后通过查发报文的IP和TCP报文头地址,保证此连接的后继报文被转发到该服务器。这样,IPVS无法检查到请求的内容再选择服务器,这就要求后端服务器组提供相同的服务,不管请求被发送到哪一台服务器,返回结果都是一样的。但是,在有些应用中后端服务器功能不一,有的提供HTML文档,有的提供图片,有的提供CGI,这就需要基于内容的调度 (Content-Based Scheduling)。

    由于用户空间TCP Gateway的开销太大,在操作系统的内核中实现Layer-7交换方法,来避免用户空间与核心空间的切换和内存复制的开销。在Linux操作系统的内核中,实现了Layer-7交换,称之为KTCPVS(Kernel TCP Virtual Server)。目前,KTCPVS已经能对HTTP请求进行基于内容的调度,但它还不很成熟,在其调度算法和各种协议的功能支持等方面,有大量的工作需要做。

    虽然应用层交换处理复杂,它的伸缩性有限,但应用层交换带来以下好处:

    相同页面的请求被发送到同一服务器,可以提高单台服务器的Cache命中率。

    一些研究表明WEB访问流中存在局部性。Layer-7交换可以充分利用访问的局部性,将相同类型的请求发送到同一台服务器,使得每台服务器收到的请求具有更好的相似性,可进一步提高单台服务器的Cache命中率。

    后端服务器可运行不同类型的服务,如文档服务,图片服务,CGI服务和数据库服务等。

    LVS集群的特点/LINUX服务器集群系统 编辑

    LVS集群的特点可以归结如下:

    功能

    有实现三种IP负载均衡技术和八种连接调度算法的IPVS软件。在IPVS内部实现上,采用了高效的Hash函数和垃圾回收机制,能正确处理所调度报文相关的ICMP消息(有些商品化的系统反而不能)。虚拟服务的设置数目没有限制,每个虚拟服务有自己的服务器集。它支持持久的虚拟服务(如HTTP Cookie和HTTPS等需要该功能的支持),并提供详尽的统计数据,如连接的处理速率和报文的流量等。针对大规模拒绝服务(Deny of Service)攻击,实现了三种防卫策略。

    有基于内容请求分发的应用层交换软件KTCPVS,它也是在Linux内核中实现。有相关的集群管理软件对资源进行监测,能及时将故障屏蔽,实现系统的高可用性。主、从调度器能周期性地进行状态同步,从而实现更高的可用性。

    适用性

    </strong>后端服务器可运行任何支持TCP/IP的操作系统,包括Linux,各种Unix(如FreeBSD、Sun Solaris、HP Unix等),Mac/OS和Windows NT/2000等。

    负载调度器能够支持绝大多数的TCP和UDP协议:

    协议内容

    TCP,HTTP,FTP,PROXY,SMTP,POP3,IMAP4,DNS,LDAP,HTTPS,SSMTP等

    UDP,DNS,NTP,ICP,视频、音频流播放协议等

    无需对客户机和服务器作任何修改,可适用大多数Internet服务。

    性能

    LVS服务器集群系统具有良好的伸缩性,可支持几百万个并发连接。配置100M网卡,采用VS/TUN或VS/DR调度技术,集群系统的吞吐量可高达1Gbits/s;如配置千兆网卡,则系统的最大吞吐量可接近10Gbits/s。

    可靠性

    LVS服务器集群软件已经在很多大型的、关键性的站点得到很好的应用,所以它的可靠性在真实应用得到很好的证实。有很多调度器运行一年多,未作一次重启动。

    软件许可证

    LVS集群软件是按GPL(GNU Public License)许可证发行的自由软件,这意味着可以得到软件的源代码,有权对其进行修改,但必须保证修改也是以GPL方式发行。

    LVS集群的应用/LINUX服务器集群系统 编辑

    LVS项目从成立到现在为止,受到不少关注,LVS集群系统已被应用于很多重负载的站点,系统已在美、英、德、澳等国的几十个站点上正式使用。

    一些没有上百台机器和高速的网络来实际测试LVS的终极性能,所以举LVS的应用实例来说明LVS的高性能和稳定性。所知的一些大型LVS应用实例如下:

    英国国家JANET Cache Service(wwwcache.ja.net)是为英国150所以上的大学提供Web Cache服务。他们用28个结点的LVS集群代替了原有现50多台相互独立的Cache服务器,用他们的话说现在速度就跟夏天一样,因为夏天是放假期间没有很多人使用网络。

    Linux的门户站点(www.linux.com)用LVS将很多台VA Linux SMP服务器组成高性能的WEB服务,已使用将近一年。

    SourceForge(sourceforge.net)是在全球范围内为开发源码项目提供WEB、FTP、Mailing List和CVS等服务,他们也使用LVS将负载调度到十几台机器上。

    世界上最大的PC制造商之一采用了两个LVS集群系统,一个在美洲,一个在欧洲,用于网上直销系统。

    以RealPlayer提供音频视频服务而闻名的Real公司(www.real.com)使用由20台服务器组成的LVS集群,为其全球用户提供音频视频服务。在2000年3月时,整个集群系统已收到平均每秒20,000个连接的请求流。

    NetWalk(www.netwalk.com)用多台服务器构造LVS系统,提供1024个虚拟服务,其中本项目的一个美国镜像站点(www.us.linuxvirtualserver.org)。

    RedHat(www.redhat.com)从其6.1发行版起已包含LVS代码,他们开发了一个LVS集群管理工具叫Piranha,用于控制LVS集群,并提供了一个图形化的配置界面。

    VA Linux(www.valinux.com)向客户提供基于LVS的服务器集群系统,并且提供相关的服务和支持。

    TurboLinux的"世界一流Linux集群产品"TurboCluster实际上是基于LVS的想法和代码的,只是他们在新闻发布和产品演示时忘了致谢。

    红旗Linux和中软都提供基于LVS的集群解决方案,并在2000年9月召开的Linux World China 2000上展示。

    在这里,再引用两位LVS用户的评论,来进一步说明LVS的性能和可靠性。

    "We tried virtually all of the commercial load balancers, LVS beats them all for reliability, cost, manageability, you-name-it." — Jerry Glomph Black, Director, Internet & Technical Operations, Real Networks, Se attle Washington, USA

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    "I can say without a doubt that lvs toasts F5/BigIP solutions, at least in our real world implementations. I wouldn't trade a good lvs box for a Cisco Local Director either." — Drew Streib, Information Architect, VA Linux Systems, USA

    LVS项目的开发进展与感触/LINUX服务器集群系统 编辑

    LVS项目于1998年5月在网站上发布IPVS第一个版本源程序,一直得到了来自 Internet 的用户和开发者的鼓励和支持。应该说,刚开始发布的程序是非常简单的,由于用户的使用、反馈和期望,这项工作的价值,并不断地化时间对该软件添加新功能和完善,其中也得到其他开发者的帮助,所以该软件逐渐发展成为功能较齐全、有用的系统,这远远超出当初成立项目时的想象。

    目前,正在进行的 LVS项目开发工作包括:

    扩充IPVS对其他传输协议的支持,如AH(Authentication Header)和ESP(Encapsulating Security Payload )等,这样IPVS调度器将实现IPSec的服务器集群。

    提供一个统一的、功能较完善、更灵活的LVS集群管理软件。

    扩充和改进KTCPVS的调度算法和多种协议的支持,使之功能较完备和系统更稳定。

    在TCP粘合(TCP Splicing)和TCP转移(TCP Handoff)等方面,做一些尝试性工作,进一步改进LVS集群中的应用层调度。

    开发者做自由软件开发的几点感触:

    一是通过自由软件方式可以使得软件具有顽强的生命力;以前也做过几个独立的系统,如在</em><em>SUN</em>上用 Common Lisp开发的知识库系统和基于C++的对象数据库系统,有些地方也是做得非常漂亮的(如元级反射机制和对象的关系处理),但因为种种原因这些软件没有以开放源码方式发布,现在它们在我导师的软件仓库里已无人问津,我也已经忘记里面的实现细节;而LVS项目是我做着玩的,一开始只是个很简单的程序,通过自由软件的发布和开发,它发展成一个有用的、功能较齐全的软件,体现了自由软件的强大生命力。二是通过自由软件的集市开发,可以使得初始的想法不断地深入,可以学到很多东西。三是做自由软件后时间会更有效率,由于用户的反馈和期待,会自觉不断地改进和完善系统,于是没有时间去玩游戏和网上聊天。四是做自由软件会使得你有一点点成就感,每当收到用户的致谢和想到你的软件在实际系统中运行,会有一点满足。所以,行动起来吧,花一些时间做自由软件,你会有意想不到的收获。

    LVS项目的网络资源/LINUX服务器集群系统 编辑

    如果对LVS项目感兴趣,请访问Linux Vritual Server项目的主页

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    扩展阅读
    1http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs1.html
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