LVS：Linux Virtual Server，负载调度器，内核集成，章文嵩（花名 正明）, 阿里的四层SLB(Server Load Balance)是基于LVS+keepalived实现
官网：https://github.com/alibaba/LVS
LVS 工作原理：
VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS。LVS是内核级功能，工作在INPUT链的位置，将发往INPUT的流量进行“处理”
[root@router ~]#grep -i -C 10 ipvs /boot/config-5.15.0-53-generic
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_DCCP=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_DEVGROUP=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_DSCP=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_ECN=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_ESP=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_HASHLIMIT=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_HELPER=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_HL=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_IPCOMP=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_IPRANGE=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_IPVS=m --> 模块化
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_L2TP=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_LENGTH=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_LIMIT=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_MAC=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_MARK=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_MULTIPORT=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_NFACCT=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_OSF=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_OWNER=m
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_POLICY=m
--
CONFIG_IP_SET_HASH_NETNET=m
CONFIG_IP_SET_HASH_NETPORT=m
CONFIG_IP_SET_HASH_NETIFACE=m
CONFIG_IP_SET_LIST_SET=m
CONFIG_IP_VS=m
CONFIG_IP_VS_IPV6=y
# CONFIG_IP_VS_DEBUG is not set
CONFIG_IP_VS_TAB_BITS=12
#
# IPVS transport protocol load balancing support
#
CONFIG_IP_VS_PROTO_TCP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_UDP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_AH_ESP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_ESP=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_AH=y
CONFIG_IP_VS_PROTO_SCTP=y
#
# IPVS scheduler
#
CONFIG_IP_VS_RR=m
CONFIG_IP_VS_WRR=m
CONFIG_IP_VS_LC=m
CONFIG_IP_VS_WLC=m
CONFIG_IP_VS_FO=m
CONFIG_IP_VS_OVF=m
CONFIG_IP_VS_LBLC=m
CONFIG_IP_VS_LBLCR=m
CONFIG_IP_VS_DH=m
CONFIG_IP_VS_SH=m
CONFIG_IP_VS_MH=m
CONFIG_IP_VS_SED=m
CONFIG_IP_VS_NQ=m
CONFIG_IP_VS_TWOS=m
#
# IPVS SH scheduler
#
CONFIG_IP_VS_SH_TAB_BITS=8
#
# IPVS MH scheduler
#
CONFIG_IP_VS_MH_TAB_INDEX=12
#
# IPVS application helper
#
CONFIG_IP_VS_FTP=m
CONFIG_IP_VS_NFCT=y
CONFIG_IP_VS_PE_SIP=m
#
# IP: Netfilter Configuration
#
CONFIG_NF_DEFRAG_IPV4=m
CONFIG_NF_SOCKET_IPV4=m
LVS 集群类型中的术语
VS：Virtual Server，Director Server(DS), Dispatcher(调度器)，Load Balancer
RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)
CIP：Client IP
VIP：Virtual server 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 集群的工作模式
- lvs-nat：修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT
lvs-nat：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
（1）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
（2）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
（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT
（4）VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统
- lvs-dr：操纵封装新的MAC地址
LVS-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
DR模式的特点：
1. Director和各RS都配置有VIP
2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director
> 在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址
> 在RS上使用arptables工具
arptables -A IN -d $VIP -j DROP
arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP
> 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
3. RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director
4. RS和Director要在同一个物理网络
5. 请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client
6. 不支持端口映射（端口不能修改）
7. 无需开启 ip_forward
8. RS可使用大多数OS系统
- lvs-tun：在原请求IP报文之外新加一个IP首部
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模式特点：
1. RIP和DIP可以不处于同一物理网络中，RS的网关一般不能指向DIP,且RIP可以和公网通信。也就是说集群节点可以跨互联网实现。DIP, VIP, RIP可以是公网地址
2. RealServer的tun接口上需要配置VIP地址，以便接收director转发过来的数据包，以及作为响应的报文源IP
3. Director转发给RealServer时需要借助隧道，隧道外层的IP头部的源IP是DIP，目标IP是RIP，而RealServer响应给客户端的IP头部是根据隧道内层的IP头分析得到的，源IP是VIP，目标IP是CIP
4. 请求报文要经由Director，但响应不经由Director,响应由RealServer自己完成
5. 不支持端口映射
6. RS的OS须支持隧道功能
一般来说，TUN模式常会用来负载调度缓存服务器组，这些缓存服务器一般放置在不同的网络环境，可以就近折返给客户端。在请求对象不在Cache服务器本地命中的情况下，Cache服务器要向源服务器发送请求，将结果取回，最后将结果返回给用户。
应用场景:
LAN环境一般多采用DR模式，WAN环境虽然可以用TUN模式，但是一般在WAN环境下，请求转发更多的被haproxy/nginx/DNS等实现。因此，TUN模式实际应用的很少,跨机房的应用一般专线光纤连接或DNS调度
- lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP,默认内核不支持
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
fullnat模式特点：
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. 相对NAT模式，可以更好的实现LVS-RealServer间跨VLAN通讯
5. 支持端口映射
注意：此类型kernel默认不支持
LVS工作模式总结和比较
NAT |
TUN |
DR |
|
Real Server |
any |
Tunneling |
Non-arp device |
Real server network |
private |
LAN/WAN |
LAN |
Real server number |
low (10~20) |
High (100) |
High (100) |
Real server gateway |
load balancer |
own router |
Own router |
优点 |
端口转换 |
WAN |
性能最好 |
缺点 |
性能瓶颈 |
要求支持隧道,不支持端口转换 |
不支持跨网段和端口转换 |
lvs-nat与lvs-fullnat：
1. 请求和响应报文都经由Director
2. lvs-nat：RIP的网关要指向DIP
3. lvs-fullnat：RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信
lvs-dr与lvs-tun：
1. 请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
2. lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
3. lvs-tun：通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信
LVS 调度算法
ipvs scheduler：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态，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
1. RR：roundrobin，轮询,较常用，雨露均沾
2. WRR：Weighted RR，加权轮询,较常用
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: Web缓存
5. FO:Weighted Fail Over,遍历虚拟服务所关联的真实服务器链表，找到还未过载（未设置IP_VS_DEST_F_OVERLOAD标志）的且权重最高的真实服务器，进行调度
#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
1. LC：least connections 适用于长连接应用 --> Overhead=activeconns*256+inactiveconns
2. WLC：Weighted LC，默认调度方法,较常用 --> Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight
3. SED：Shortest Expection Delay，初始连接高权重优先,只检查活动连接,而不考虑非活动连接
--> Overhead=(activeconns+1)*256/weight
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,实现Web Cache等
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,实现Web Cache等
7. OVF:Overflow-connection,基于真实服务器的活动连接数量和权重值实现。将新连接调度到权重值最高的真实服务器，直到其活动连接数量超过权重值，之后调度到下一个权重值最高的真实服务器,在此OVF算法中，遍历虚拟服务相关联的真实服务器链表，找到权重值最高的可用真实服务器。
*一个可用的真实服务器需要同时满足以下条件：
>未过载（未设置IP_VS_DEST_F_OVERLOAD标志）
>真实服务器当前的活动连接数量小于其权重值
>其权重值不为零
LVS 相关软件
#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
#命令
#管理集群服务
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask]
[--pe persistence_engine] [-b sched-flags]
ipvsadm -D -t|u|f service-address #删除
ipvsadm –C #清空
ipvsadm –R #重载,相当于ipvsadm-restore
ipvsadm -S [-n] #保存,相当于ipvsadm-save
增、修改：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
删除：
ipvsadm -D -t|u|f service-address
vip附加
service-address：
-t|u|f：
-t: TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT 如: -t 10.0.0.100:80
-u: UDP协议的端口，VIP:UDP_PORT
-f：firewall MARK，标记，一个数字
[-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc
#管理集群中的RS
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
管理集群上的RS：增、改
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]
删
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
rs附加
server-address：
rip[:port] 如省略port，不作端口映射
选项：
lvs类型：
-g: gateway, dr类型，默认
-i: ipip, tun类型
-m: masquerade, nat类型
-w weight：权重
#清空定义的所有内容：
ipvsadm -C
#清空计数器：
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
#查看：
ipvsadm -L|l [options]
--numeric, -n：以数字形式输出地址和端口号
--exact：扩展信息，精确值
--connection，-c：当前IPVS连接输出
--stats：统计信息
--rate ：输出速率信息
#ipvs规则：
/proc/net/ip_vs
#ipvs连接：
/proc/net/ip_vs_conn
#保存：
ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
systemctl stop ipvsadm.service #会自动保存规则至/etc/sysconfig/ipvsadm
#重载：
ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
systemctl start ipvsadm.service #会自动加载/etc/sysconfig/ipvsadm中规则
防火墙标记
FWM：FireWall Mark
MARK target 可用于给特定的报文打标记 --set-mark value
借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务；可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度
#实现方法：
在Director主机打标记：
iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $proto -m multiport --dports $port1,$port2,… -j MARK --set-mark NUMBER
在Director主机基于标记定义集群服务：
ipvsadm -A -f NUMBER [options]
#范例:
[root@lvs ~]#iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.0.100 -p tcp -m
multiport --dports 80,443 -j MARK --set-mark 10
[root@lvs ~]#ipvsadm -C
[root@lvs ~]#ipvsadm -A -f 10 -s rr
[root@lvs ~]#ipvsadm -a -f 10 -r 10.0.0.7 -g
[root@lvs ~]#ipvsadm -a -f 10 -r 10.0.0.17 -g
[root@lvs ~]#ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
FWM 10 rr
-> 10.0.0.7:0 Route 1 0 0
-> 10.0.0.17:0 Route 1 0 0
[root@lvs ~]#cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
FWM 0000000A rr
-> 0A000011:0000 Route 1 0 9
-> 0A000007:0000 Route 1 0 9
LVS 持久连接
持久连接（ lvs persistence ）模板：实现无论使用任何调度算法，在一段时间内（默认360s ），能够实现将来自同一个地址的请求始终发往同一个RS
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
#持久连接实现方式：
每端口持久（PPC）：每个端口定义为一个集群服务，每集群服务单独调度
每防火墙标记持久（PFWMC）：基于防火墙标记定义集群服务；可实现将多个端口上的应用统一
调度，即所谓的port Affinity
每客户端持久（PCC）：基于0端口（表示所有服务）定义集群服务，即将客户端对所有应用的请
求都调度至后端主机，必须定义为持久模式
范例：
[root@lvs ~]#ipvsadm -E -f 10 -p
[root@lvs ~]#ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
FWM 10 wlc persistent 360
-> 10.0.0.7:0 Route 1 0 15
-> 10.0.0.17:0 Route 1 0 7
[root@lvs ~]#ipvsadm -E -f 10 -p 3600
[root@lvs ~]#ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
FWM 10 wlc persistent 3600
-> 10.0.0.7:0 Route 1 0 79
-> 10.0.0.17:0 Route 1 0 7
[root@lvs ~]#cat /proc/net/ip_vs_conn
Pro FromIP FPrt ToIP TPrt DestIP DPrt State Expires PEName PEData
TCP C0A80006 C816 AC100064 01BB 0A000011 01BB FIN_WAIT 67
TCP C0A80006 C812 AC100064 01BB 0A000011 01BB FIN_WAIT 67
TCP C0A80006 9A36 AC100064 0050 0A000011 0050 FIN_WAIT 65
TCP C0A80006 C806 AC100064 01BB 0A000011 01BB FIN_WAIT 65
TCP C0A80006 9A3E AC100064 0050 0A000011 0050 FIN_WAIT 66
TCP C0A80006 C81A AC100064 01BB 0A000011 01BB FIN_WAIT 67
TCP C0A80006 C80A AC100064 01BB 0A000011 01BB FIN_WAIT 66
TCP C0A80006 9A3A AC100064 0050 0A000011 0050 FIN_WAIT 66
TCP C0A80006 9A4E AC100064 0050 0A000011 0050 FIN_WAIT 68
TCP C0A80006 9A42 AC100064 0050 0A000011 0050 FIN_WAIT 67
TCP C0A80006 9A46 AC100064 0050 0A000011 0050 FIN_WAIT 67
TCP C0A80006 C81E AC100064 01BB 0A000011 01BB FIN_WAIT 68
IP C0A80006 0000 0000000A 0000 0A000011 0000 NONE 948
TCP C0A80006 C80E AC100064 01BB 0A000011 01BB FIN_WAIT 66
TCP C0A80006 9A4A AC100064 0050 0A000011 0050 FIN_WAIT 67