LVS：三種負載均衡方式比較+另三種負載均衡方式
轉：http://blog.csdn.net/u013256816/article/details/50705578
什麽是LVS？
??首先簡單介紹一下LVS (Linux Virtual Server)到底是什麽東西，其實它是一種集群(Cluster)技術，采用IP負載均衡技術和基於內容請求分發技術。調度器具有很好的吞吐率，將請求均衡地轉移到不同的服務器上執行，且調度器自動屏蔽掉服務器的故障，從而將一組服務器構成一個高性能的、高可用的虛擬服務器。整個服務器集群的結構對客戶是透明的，而且無需修改客戶端和服務器端的程序。
??為此，在設計時需要考慮系統的透明性、可伸縮性、高可用性和易管理性。一般來說，LVS集群采用三層結構，其體系結構如圖所示：
LVS主要組成部分
??負載調度器(load balancer/ Director)，它是整個集群對外面的前端機，負責將客戶的請求發送到一組服務器上執行，而客戶認為服務是來自一個IP地址(我們可稱之為虛擬IP地址)上的。
??服務器池(server pool/ Realserver)，是一組真正執行客戶請求的服務器，執行的服務一般有WEB、MAIL、FTP和DNS等。
??共享存儲(shared storage)，它為服務器池提供一個共享的存儲區，這樣很容易使得服務器池擁有相同的內容，提供相同的服務。
LVS負載均衡方式:
Virtual Server via Network Address Translation NAT(VS/NAT)
??VS/NAT是一種最簡單的方式，所有的RealServer只需要將自己的網關指向Director即可。客戶端可以是任意操作系統，但此方式下，一個Director能夠帶動的RealServer比較有限。在VS/NAT的方式下，Director也可以兼為一臺RealServer。VS/NAT的體系結構如圖所示。
Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)
??IP隧道(IP tunneling)是將一個IP報文封裝在另一個IP報文的技術，這可以使得目標為一個IP地址的數據報文能被封裝和轉發到另一個IP地址。IP隧道技術亦稱為IP封裝技術(IP encapsulation)。IP隧道主要用於移動主機和虛擬私有網絡(Virtual Private Network)，在其中隧道都是靜態建立的，隧道一端有一個IP地址，另一端也有唯一的IP地址。它的連接調度和管理與VS/NAT中的一樣，只是它的報文轉發方法不同。調度器根據各個服務器的負載情況，動態地選擇一臺服務器，將請求報文封裝在另一個IP報文中，再將封裝後的IP報文轉發給選出的服務器;服務器收到報文後，先將報文解封獲得原來目標地址為 VIP 的報文，服務器發現VIP地址被配置在本地的IP隧道設備上，所以就處理這個請求，然後根據路由表將響應報文直接返回給客戶。
Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)
??VS/DR方式是通過改寫請求報文中的MAC地址部分來實現的。Director和RealServer必需在物理上有一個網卡通過不間斷的局域網相連。 RealServer上綁定的VIP配置在各自Non-ARP的網絡設備上(如lo或tunl),Director的VIP地址對外可見，而RealServer的VIP對外是不可見的。RealServer的地址即可以是內部地址，也可以是真實地址。 
??VS/DR的工作流程如圖所示：它的連接調度和管理與VS/NAT和VS/TUN中的一樣，它的報文轉發方法又有不同，將報文直接路由給目標服務器。在VS/DR中，調度器根據各個服務器的負載情況，動態地選擇一臺服務器，不修改也不封裝IP報文，而是將數據幀的MAC地址改為選出服務器的MAC地址，再將修改後的數據幀在與服務器組的局域網上發送。因為數據幀的MAC地址是選出的服務器，所以服務器肯定可以收到這個數據幀，從中可以獲得該IP報文。當服務器發現報文的目標地址VIP是在本地的網絡設備上，服務器處理這個報文，然後根據路由表將響應報文直接返回給客戶。
??VS/DR的方式是目前大型網站使用最廣泛的一種負載均衡手段。
三種負載均衡方式比較
??VS/NAT 的優點是服務器可以運行任何支持TCP/IP的操作系統，它只需要一個IP地址配置在調度器上，服務器組可以用私有的IP地址。缺點是它的伸縮能力有限，當服務器結點數目升到20時，調度器本身有可能成為系統的新瓶頸，因為在VS/NAT中請求和響應報文都需要通過負載調度器。我們在Pentium166 處理器的主機上測得重寫報文的平均延時為60us，性能更高的處理器上延時會短一些。假設TCP報文的平均長度為536 Bytes，則調度器的最大吞吐量為8.93 MBytes/s. 我們再假設每臺服務器的吞吐量為800KBytes/s，這樣一個調度器可以帶動10臺服務器。(註：這是很早以前測得的數據)
??基於 VS/NAT的的集群系統可以適合許多服務器的性能要求。如果負載調度器成為系統新的瓶頸，可以有三種方法解決這個問題：混合方法、VS/TUN和 VS/DR。在DNS混合集群系統中，有若幹個VS/NAT負調度器，每個負載調度器帶自己的服務器集群，同時這些負載調度器又通過RR-DNS組成簡單的域名。
??但VS/TUN和VS/DR是提高系統吞吐量的更好方法。
??對於那些將IP地址或者端口號在報文數據中傳送的網絡服務，需要編寫相應的應用模塊來轉換報文數據中的IP地址或者端口號。這會帶來實現的工作量，同時應用模塊檢查報文的開銷會降低系統的吞吐率。
??在VS/TUN 的集群系統中，負載調度器只將請求調度到不同的後端服務器，後端服務器將應答的數據直接返回給用戶。這樣，負載調度器就可以處理大量的請求，它甚至可以調度百臺以上的服務器(同等規模的服務器)，而它不會成為系統的瓶頸。即使負載調度器只有100Mbps的全雙工網卡，整個系統的最大吞吐量可超過 1Gbps。所以，VS/TUN可以極大地增加負載調度器調度的服務器數量。
??VS/TUN調度器可以調度上百臺服務器，而它本身不會成為系統的瓶頸，可以用來構建高性能的超級服務器。VS/TUN技術對服務器有要求，即所有的服務器必須支持“IP Tunneling”或者“IP Encapsulation”協議。目前，VS/TUN的後端服務器主要運行Linux操作系統，我們沒對其他操作系統進行測試。因為“IP Tunneling”正成為各個操作系統的標準協議，所以VS/TUN應該會適用運行其他操作系統的後端服務器。
??跟VS/TUN方法一樣，VS/DR調度器只處理客戶到服務器端的連接，響應數據可以直接從獨立的網絡路由返回給客戶。這可以極大地提高LVS集群系統的伸縮性。跟VS/TUN相比，這種方法沒有IP隧道的開銷，但是要求負載調度器與實際服務器都有一塊網卡連在同一物理網段上，服務器網絡設備(或者設備別名)不作ARP響應，或者能將報文重定向(Redirect)到本地的Socket端口上。
??三種LVS負載均衡技術的優缺點歸納以下表：
| 指標 | VS/NAT | VS/TUN | VS/DR |
|---|---|---|---|
| 服務器操作系統 | 任意 | 支持隧道 | 多數(支持Non-arp) |
| 服務器網絡 | 私有網絡 | 局域網/廣域網 | 局域網 |
| 服務器數目(100M網絡) | 10~20 | 100 | 大於100 |
| 服務器網關 | 負載均衡器 | 自己的路由 | 自己的路由 |
| 效率 | 一般 | 高 | 最高 |
??註：以上三種方法所能支持最大服務器數目的估計是假設調度器使用100M網卡，調度器的硬件配置與後端服務器的硬件配置相同，而且是對一般Web服務。使用更高的硬件配置(如千兆網卡和更快的處理器)作為調度器，調度器所能調度的服務器數量會相應增加。當應用不同時，服務器的數目也會相應地改變。所以，以上數據估計主要是為三種方法的伸縮性進行量化比較。
附：其他負載均衡算法
-
HTTP重定向負載均衡
??當用戶發來請求的時候，Web服務器通過修改HTTP響應頭中的Location標記來返回一個新的url，然後瀏覽器再繼續請求這個新url，實際上就是頁面重定向。通過重定向，來達到“負載均衡”的目標。例如，我們在下載PHP源碼包的時候，點擊下載鏈接時，為了解決不同國家和地域下載速度的問題，它會返回一個離我們近的下載地址。重定向的HTTP返回碼是302。優點：比較簡單。
缺點：瀏覽器需要兩次請求服務器才能完成一次訪問，性能較差。重定向服務自身的處理能力有可能成為瓶頸，整個集群的伸縮性國模有限；使用HTTP302響應碼重定向，有可能使搜索引擎判斷為SEO作弊，降低搜索排名。 -
DNS域名解析負載均衡
??DNS（Domain Name System）負責域名解析的服務，域名url實際上是服務器的別名，實際映射是一個IP地址，解析過程，就是DNS完成域名到IP的映射。而一個域名是可以配置成對應多個IP的。因此，DNS也就可以作為負載均衡服務。
??事實上，大型網站總是部分使用DNS域名解析，利用域名解析作為第一級負載均衡手段，即域名解析得到的一組服務器並不是實際提供Web服務的物理服務器，而是同樣提供負載均衡服務的內部服務器，這組內部負載均衡服務器再進行負載均衡，將請求分發到真是的Web服務器上。優點：將負載均衡的工作轉交給DNS，省掉了網站管理維護負載均衡服務器的麻煩，同時許多DNS還支持基於地理位置的域名解析，即會將域名解析成舉例用戶地理最近的一個服務器地址，這樣可以加快用戶訪問速度，改善性能。
缺點：不能自由定義規則，而且變更被映射的IP或者機器故障時很麻煩，還存在DNS生效延遲的問題。而且DNS負載均衡的控制權在域名服務商那裏，網站無法對其做更多改善和更強大的管理。 -
反向代理負載均衡
??反向代理服務可以緩存資源以改善網站性能。實際上，在部署位置上，反向代理服務器處於Web服務器前面（這樣才可能緩存Web相應，加速訪問），這個位置也正好是負載均衡服務器的位置，所以大多數反向代理服務器同時提供負載均衡的功能，管理一組Web服務器，將請求根據負載均衡算法轉發到不同的Web服務器上。Web服務器處理完成的響應也需要通過反向代理服務器返回給用戶。由於web服務器不直接對外提供訪問，因此Web服務器不需要使用外部ip地址，而反向代理服務器則需要配置雙網卡和內部外部兩套IP地址。優點：和反向代理服務器功能集成在一起，部署簡單。
缺點：反向代理服務器是所有請求和響應的中轉站，其性能可能會成為瓶頸。
參考：
1.http://soft.chinabyte.com/25/13169025.shtml
2. 《大型網站技術架構——核心原理與技術分析》
3. http://blog.csdn.net/u013256816/article/details/48707505
LVS：三種負載均衡方式比較+另三種負載均衡方式