1. LVS 简介
1.1 LVS是啥
LVS的英文全称是Linux Virtual Server，即Linux虚拟服务器。它是我们国家的章文嵩博士的一个开源项目。在linux内核2.6中，它已经成为内核的一部分，在此之前的内核版本则需要重新编译内核。
1.2 LVS能干什么
LVS主要用于多服务器的负载均衡。它工作在网络4层，可以实现高性能，高可用的服务器集群。它廉价，可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器。它易用，配置非常简单，且有多种负载均衡的方法。它稳定可靠，即使在集群的服务器中某台服务器无法正常工作，也不影响整体效果。另外可扩展性也非常好。
2. Linux Virtual Server 项目
针对高可伸缩、高可用网络服务的需求,我们给出了基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法，并在Linux内核中实现了这些方法，将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。
虚拟服务器的体系结构如下图所示，一组服务器通过高速的局域网或者地理分布的广域网相互连接,在它们的前端有一个负载调度器(Load Balancer)。负载调度器能无缝地将网络请求调度到真实服务器上，从而使得服务器集群的结构对客户是透明的，客户访问集群系统提供的网络服务就像访问一台高性能、高可用的服务器一样。由于我们的负载调度技术是在Linux内核中实现的，我们称之为Linux虚拟服务器(Linux Virtual Server) 。
3. Linux Virtual Server 项目
Linux Virtual Server项目的目标∶使用集群技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器，它具有很好的可伸缩性(Scalability)、可靠性(Reliability)和可管理性(Manageability) 。
目前，LVS项目已提供了一个实现可伸缩网络服务的Linux Virtual Server框架，如上图所示。
- IPVS:提供了含有三种IP负载均衡技术的IP虚拟服务器软件。
- KTCPVS:基于内容请求分发的内核Layer-7交换机。
- Cluster Management:集群管理软件。
可以利用LVS框架实现高可伸缩的、高可用的Web、Cache、Mal和Meala寺网绐汉务;在此基础上，可以开发支持庞大用户数的、高可伸缩的、高可用的电子商务应用。
4. 网络分层
4.1 网络7层
7层是指OSI七层协议模型，主要是:应用层(Application)、表示层(Presentation)、会话层(Session)、传输层(Transport) 、网络层(Network)、数据链路层(Data Link)、物理层(Physical)。Nginx工作在7层网络模型下。
4.2 网络5层
5层只是OSI和TCP/IP的综合，是业界产生出来的非官方协议模型,但是很多具体的应用。实际应用还是TCP/IP的四层结构。为了方便可以把下两层称为网络接口层。五层体系结构包括:应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。
4.3 网络4层
4层是指TCP/IP四层模型，主要包括:应用层、运输层、网际层和网络接口层。
LVS工作在4层网络模型下。
5. IP虚拟服务器软件IPVS
在调度器的实现技术中，IP负载均衡技术是效率最高的。IPVS软件实现了三种IP负载均衡技术，它们的大致原理如下:
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。
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 lP 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。
6. IPVS调度算法
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:
- 轮叫(Round Robin)
- 加权轮叫(Weighted Round Robin)
- 最少链接(Least Connections)
- 加权最少链接(Weighted Least Connections)
- 基于局部性的最少链接(Locality-Based Least Connections)
- 带复制的基于局部性最少链接(Locality-Based Least Connections with Replication)
- 目标地址散列(Destination Hashing)
- 源地址散列(Source Hashing)
7. 内核Layer-7 交换机KTCPVS
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CGl，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，我们提出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，我们实现了Layer-7交换，称之为KTCPVS (Kernel TCP Virtual Server) 。
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。
8. LVS集群特点
8.1 功能
1.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。
2.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。
3.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.
4.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。
5.针对大规模拒绝服务(Deny of Service)攻击，实现了三种防卫策略。
6.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.
7.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。8.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。
8.2 适用性
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。
8.3 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。
8.4 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。
8.5 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，这意味着你可以得到软件的源代码，有权对其进行修改，但必须保证你的修改也是以GPL方式发行。
9. LVS与Nginx对比
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