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  • LVS负载均衡

    在分析 服务器 集群 实现 虚拟网络服务 的相关技术上,详细描述了LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术VS/NAT、VS/TUN、VS/DR的工作原理,以及它们的优缺点。

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    中文名: LVS负载均衡

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    简述/LVS负载均衡 编辑

    可伸缩网络服务涉及到几种不同的结构,它们都需要一个前端的负载调度器(或者多个进行主从备份)。

    先分析实现虚拟网络服务的主要技术,指出 <strong>IP</strong> 负载均衡技术是在负载调度器的实现技术中效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中,主要有通过网络地址转换NAT(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)。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上,提出了通过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。VS/NAT、VS/TUN和VS/DR技术是LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术,后面将详细描述它们的工作原理和各自的优缺点。

    实现虚拟服务的相关方法/LVS负载均衡 编辑

    在网络服务中,一端是客户程序,另一端是服务程序,在中间可能有代理程序。由此看来,可以在不同的层次上实现多台服务器的负载均衡。用集群解决网络服务性能问题的现有方法主要分为以下四类。

    基于RR-DNS的解决方法

    NCSA的可伸缩的WEB服务器系统就是最早基于RR-DNS(Round-Robin Domain Name System)的原型系统。它的结构和工作流程如下图所示:

    LVS负载均衡 LVS负载均衡

    在VS/DR中,根据缺省的TCP/IP协议栈处理,请求报文的目标地址为VIP,响应报文的源地址肯定也为VIP,所以响应报文不需要作任何修改,可以直接返回给客户,客户认为得到正常的服务,而不会知道是哪一台服务器处理的。

    VS/DR负载调度器跟VS/TUN一样只处于从客户到服务器的半连接中,按照半连接的TCP有限状态机进行状态迁移。

    三种方法的优缺点比较/LVS负载均衡 编辑

    三种IP负载均衡技术的优缺点归纳在下表中:

    VS/NAT VS/TUN VS/DR server any Tunneling Non-arp device server network private LAN/WAN LAN server number low(10~20) High(100) High(100) server gateway load balancer own router own router

    VS/NAT VS/TUN VS/DR

    server any Tunneling Non-arp device

    server network private LAN/WAN LAN

    server number low(10~20) High(100) High(100)

    server gateway load balancer own router own router

    注:以上三种方法所能支持最大服务器数目的估计是假设调度器使用100M网卡,调度器的硬件配置与后端服务器的硬件配置相同,而且是对一般Web服务。使用更高的硬件配置(如千兆网卡和更快的处理器)作为调度器,调度器所能调度的服务器数量会相应增加。当应用不同时,服务器的数目也会相应地改变。所以,以上数据估计主要是为三种方法的伸缩性进行量化比较。

    Virtual Server via NAT

    VS/NAT的优点是服务器可以运行任何支持TCP/IP的操作系统,它只需要一个IP地址配置在调度器上,服务器组可以用私有的IP地址。缺点是它的伸缩能力有限,当服务器结点数目升到20时,调度器本身有可能成为系统的新瓶颈,因为在VS/NAT中请求和响应报文都需要通过负载调度器。在Pentium 166 处理器的主机上测得重写报文的平均延时为60us,性能更高的处理器上延时会短一些。假设TCP报文的平均长度为536 Bytes,则调度器的最大吞吐量为8.93 MBytes/s. 再假设每台服务器的吞吐量为800KBytes/s,这样一个调度器可以带动10台服务器。

    基于VS/NAT的集群系统可以适合许多服务器的性能要求。如果负载调度器成为系统新的瓶颈,可以有三种方法解决这个问题:混合方法、VS/TUN和 VS/DR。在DNS混合集群系统中,有若干个VS/NAT负载调度器,每个负载调度器带自己的服务器集群,同时这些负载调度器又通过RR-DNS组成简单的域名。但VS/TUN和VS/DR是提高系统吞吐量的更好方法。

    对于那些将IP地址或者端口号在报文数据中传送的网络服务,需要编写相应的应用模块来转换报文数据中的IP地址或者端口号。这会带来实现的工作量,同时应用模块检查报文的开销会降低系统的吞吐率。

    Virtual Server via IP Tunneling

    在VS/TUN的集群系统中,负载调度器只将请求调度到不同的后端服务器,后端服务器将应答的数据直接返回给用户。这样,负载调度器就可以处理大量的请求,它甚至可以调度百台以上的服务器(同等规模的服务器),而它不会成为系统的瓶颈。即使负载调度器只有100Mbps的全双工网卡,整个系统的最大吞吐量可超过 1Gbps。所以,VS/TUN可以极大地增加负载调度器调度的服务器数量。VS/TUN调度器可以调度上百台服务器,而它本身不会成为系统的瓶颈,可以用来构建高性能的超级服务器。

    VS/TUN技术对服务器有要求,即所有的服务器必须支持“IP Tunneling”或者“IP Encapsulation”协议。目前,VS/TUN的后端服务器主要运行Linux操作系统,。因为“IP Tunneling”正成为各个操作系统的标准协议,所以VS/TUN应该会适用运行其他操作系统的后端服务器。

    Virtual Server via Direct Routing

    跟VS/TUN方法一样,VS/DR调度器只处理客户到服务器端的连接,响应数据可以直接从独立的网络路由返回给客户。这可以极大地提高LVS集群系统的伸缩性。

    跟VS/TUN相比,这种方法没有IP隧道的开销,但是要求负载调度器与实际服务器都有一块网卡连在同一物理网段上,服务器网络设备(或者设备别名)不作ARP响应,或者能将报文重定向(Redirect)到本地的Socket端口上。

    总结/LVS负载均衡 编辑

    以上主要讲述了LVS集群中的三种IP负载均衡技术。在分析网络地址转换方法(VS/NAT)的缺点和网络服务的非对称性的基础上,我们给出了通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN,和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR,极大地提高了系统的伸缩性。

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