IPVS -三种IP负载均衡技术与八种调度算法
作者：互联网
三种IP负载均衡技术
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(负载管理器)、F5的Big/IP（负载均衡器 ）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，我们提出通过IP隧道实现虚拟服务器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：
(1) Virtual Server via Network Address Translation NAT(VS/NAT)
VS/NAT是一种最简单的方式，所有的RealServer只需要将自己的网关指向Director即可。客户端可以是任意操作系统，但此方式下，一个Director能够带动的RealServer比较有限。在VS/NAT的方式下，Director也可以兼为一台RealServer。VS/NAT的体系结构如图所示：
(2) Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)
IP隧道(IP tunneling)是将一个IP报文封装在另一个IP报文的技术，这可以使得目标为一个IP地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP地址。IP隧道技术亦称为IP封装技术(IP encapsulation)。IP隧道主要用于移动主机和虚拟私有网络(Virtual Private Network)，在其中隧道都是静态建立的，隧道一端有一个IP地址，另一端也有唯一的IP地址。它的连接调度和管理与VS/NAT中的一样，只是它的报文转发方法不同。调度器根据各个服务器的负载情况，动态地选择一台服务器，将请求报文封装在另一个IP报文中，再将封装后的IP报文转发给选出的服务器;服务器收到报文后，先将报文解封获得原来目标地址为 VIP 的报文，服务器发现VIP地址被配置在本地的IP隧道设备上，所以就处理这个请求，然后根据路由表将响应报文直接返回给客户。
(3) Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)
VS/DR方式是通过改写请求报文中的MAC地址部分来实现的。Director和RealServer必须在物理上有一个网卡通过不间断的局域网相连。 RealServer上绑定的VIP配置在各自Non-ARP的网络设备上(如lo或tunl),Director的VIP地址对外可见，而RealServer的VIP对外是不可见的。RealServer的地址即可以是内部地址，也可以是真实地址。
(4) 三种LVS负载均衡技术的优缺点如下表
指标 VS/NAT VS/TUN VS/DR
服务器操作系统 任意 支持隧道 多数（支持Non-arp）
服务器网络 私有网络 局域网/广域网 局域网
服务器数目（100m网络） 10~20 100 大于100
服务器网关 负载均衡器 自己的路由 自己的路由
效率 一般 高 最高
八种调度算法
[1] 轮叫（Round Robin）--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。
特点：
（1）轮叫的方式依次将请求调度不同的服务器；
（2）算法的优点是其简洁性,它无需记录当前所有连接的状态,所以它是一种无状态调度。
[2] 加权轮叫（Weighted Round Robin）--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。
特点：
（1）解决服务器间性能不一的情况；
（2）按权值的高低和轮叫方式分配请求到各服务器。权值高的服务器先收到的连接,权值高的服务器比权值低的服务器处理更多的连接,相同权值的服务器处理相同数目的连接数。
[3] 最少链接（Least Connections）--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。
特点：
（1）把新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器。
（2）一种动态调度算法,它通过服务器当前所活跃的连接数来估计服务器的负载情况。调度器需要记录各个服务器已建立连接的数目,当一个请求被调度到某台服务器,其连接数加 1;当连接中止或超时,其连接数减一。
[4] 加权最少链接（Weighted Least Connections）--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。
特点：
（1）最小连接调度的超集,各个服务器用相应的权值表示其处理性能。
（2）服务器的缺省权值为1,系统管理员可以动态地设置服务器的权值。
（3）加权最小连接调度在调度新连接时尽可能使服务器的已建立连接数和其权值成比例。
[5] 基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）--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。
特点：
（1）简称LBLC算法，针对请求报文的目标 IP 地址的负载均衡调度,目前主要用于 Cache 集群系统,因为在 Cache 集群中客户请求报文的目标 IP 地址是变化的。
（2）假设任何后端服务器都可以处理任一请求,算法的设计目标是在服务器的负载基本平衡情况下,将相同目标IP地址的请求调度到同一台服务器,来提高各台服务器的访问局部性和主存 Cache 命中率,从而整个集群系统的处理能力。
（3）LBLC调度算法先根据请求的目标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其一半的工作负载,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）
"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。
特点：
（1）简称 LBLCR算法。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。
（2）LBLCR 算法先根据请求的目标 IP 地址找出该目标 IP 地址对应的服务器组;按 “ 最小连接 ” 原则从该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 ” 原则从整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（Destination Hashing）--dh
（1）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。
（2）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（Source Hashing）--sh
（1）源地址散列调度(Source Hashing Scheduling)算法正好与目标地址散列调度算法相反
（2）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。
（3）它采用的散列函数与目标地址散列调度算法的相同。它的算法流程与目标地址散列调度算法的基本相似,除了将请求的目标 IP 地址换成请求的源 IP 地址。
（4）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。
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