一文学会LVS：概念、架构、原理、搭建过程、常用命令及实战案例
引言
随着互联网技术的飞速发展，服务器负载均衡技术变得越来越重要。LVS（Linux Virtual Server）作为一种高效的负载均衡解决方案，广泛应用于各大企业的生产环境中。本文将深入探讨LVS的概念、架构、工作原理，详细讲解其搭建过程，介绍常用命令，并通过实战案例帮助读者更好地理解和应用LVS。
一、LVS概念
1.1 什么是LVS？
LVS（Linux Virtual Server）是一个基于Linux操作系统的虚拟服务器技术，用于实现负载均衡和高可用性。LVS通过将客户端的请求分发到多台后端服务器上，从而提高整体服务的处理能力和可靠性。LVS主要有两个组件：IPVS（IP Virtual Server）和LVS-NAT、LVS-DR、LVS-TUN三种工作模式。
1.2 LVS的优势
高性能：LVS工作在内核层，性能高效，能够处理大量并发请求。
高可用性：通过配置Keepalived等工具，LVS可以实现高可用性，确保服务的持续运行。
灵活性强：支持多种负载均衡算法和工作模式，适应不同的应用场景。
二、LVS架构
2.1 LVS整体架构
LVS的整体架构主要包括负载均衡器（Load Balancer）、后端服务器（Real Server）和客户端三部分。客户端的请求首先到达负载均衡器，然后由负载均衡器根据一定的调度算法将请求转发到后端服务器进行处理，处理结果再返回给客户端。
2.2 LVS的工作模式
LVS支持三种主要的工作模式：
LVS-NAT（Network Address Translation）：在该模式下，负载均衡器不仅需要修改请求报文的目标地址，还需要修改响应报文的源地址，适用于小规模集群。
LVS-DR（Direct Routing）：在该模式下，负载均衡器只修改请求报文的目标MAC地址，而不修改IP地址，后端服务器直接将响应报文发回客户端，适用于大规模集群。
LVS-TUN（IP Tunneling）：该模式通过IP隧道将请求转发到后端服务器，后端服务器直接将响应报文发回客户端，适用于地理位置分散的集群。
2.3 LVS的调度算法
LVS提供了多种调度算法，以适应不同的应用需求：轮询调度（Round Robin）：将请求依次分配给每个后端服务器。
加权轮询调度（Weighted Round Robin）：根据服务器的权重将请求分配给后端服务器。
最少连接调度（Least Connections）：将请求分配给当前连接数最少的后端服务器。
加权最少连接调度（Weighted Least Connections）：根据服务器的权重和当前连接数分配请求。
基于局部性的最少连接调度（Locality-Based Least Connections）：优先将请求分配给最近使用的服务器。
三、LVS工作原理
3.1 LVS-NAT工作原理
在LVS-NAT模式下，负载均衡器通过NAT（网络地址转换）技术将客户端的请求报文目标地址修改为后端服务器的IP地址，同时记录会话信息。当后端服务器处理完请求后，负载均衡器将响应报文的源地址修改为负载均衡器的IP地址，再返回给客户端。
3.2 LVS-DR工作原理
在LVS-DR模式下，负载均衡器仅修改请求报文的目标MAC地址，而不修改IP地址。负载均衡器将请求发送到后端服务器后，后端服务器直接将响应报文发回客户端。由于不修改IP地址，该模式具有较高的处理效率。
3.3 LVS-TUN工作原理
在LVS-TUN模式下，负载均衡器通过IP隧道将请求报文发送到后端服务器。后端服务器解封装后处理请求，并直接将响应报文发回客户端。该模式适用于地理位置分散的集群。
四、LVS搭建过程
4.1 准备工作
在开始搭建LVS之前，需要准备以下环境：两台或多台服务器：一台作为负载均衡器，其余作为后端服务器。
操作系统：推荐使用CentOS或其他基于Linux的操作系统。
网络环境：确保服务器之间能够互相通信。
4.2 安装LVS
在负载均衡器上安装IPVSADM工具：
yum install ipvsadm -y |
4.3 配置LVS-NAT
在负载均衡器上，配置LVS-NAT模式：
启动IPVSADM：
| systemctl start ipvsadm |
| systemctl enable ipvsadm |
添加虚拟服务器：
| ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr |
添加后端服务器：
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.101:80 -m | |
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.102:80 -m |
4.4 配置LVS-DR
在负载均衡器上，配置LVS-DR模式：
启动IPVSADM：
| systemctl start ipvsadm | |
| systemctl enable ipvsadm |
添加虚拟服务器：
| ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr |
添加后端服务器：
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.101:80 -g | |
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.102:80 -g |
4.5 配置LVS-TUN
在负载均衡器上，配置LVS-TUN模式：
启动IPVSADM：
| systemctl start ipvsadm | |
| systemctl enable ipvsadm |
添加虚拟服务器：
| ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr |
添加后端服务器：
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.101:80 -i | |
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.102:80 -i |
4.6 配置后端服务器
在每台后端服务器上，配置IP地址和路由：
| ifconfig eth0:1 192.168.1.100 netmask 255.255.255.255 up | |
| route add -host 192.168.1.100 dev eth0:1 |
五、LVS常用命令
5.1 查看LVS配置
| ipvsadm -L -n |
5.2 添加虚拟服务器
| ipvsadm -A -t <Virtual IP>:<Port> -s <Scheduling Method> |
5.3 删除虚拟服务器
| ipvsadm -D -t <Virtual IP>:<Port> |
5.4 添加后端服务器
| ipvsadm -a -t <Virtual IP>:<Port> -r <Real Server IP>:<Port> -<Forwarding Method> |
5.5 删除后端服务器
| ipvsadm -d -t <Virtual IP>:<Port> -r <Real Server IP>:<Port> |
5.6 清空LVS配置
| ipvsadm -C |
5.7 保存LVS配置
| ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm |
5.8 恢复LVS配置
| ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm |
六、LVS实战案例（续）
假设有两台后端服务器192.168.1.101和192.168.1.102，它们都运行着HTTP服务。我们将使用LVS来实现HTTP服务的负载均衡。
6.1.1 环境准备
确保以下环境：
负载均衡器的IP：192.168.1.100
后端服务器的IP：192.168.1.101和192.168.1.102
后端服务器安装并运行HTTP服务（如Apache或Nginx）
6.1.2 配置负载均衡器
在负载均衡器上安装并配置LVS。
安装ipvsadm：
| yum install ipvsadm -y |
配置LVS-DR模式：
# 启动IPVSADM服务
| systemctl start ipvsadm | |
| systemctl enable ipvsadm |
# 添加虚拟服务器
| ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr |
# 添加后端服务器
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.101:80 -g | |
| ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.102:80 -g |
查看LVS配置：
| ipvsadm -L -n |
6.1.3 配置后端服务器
在每台后端服务器上进行以下配置：
设置虚拟IP地址：
| ifconfig eth0:1 192.168.1.100 netmask 255.255.255.255 up |
配置路由：
| route add -host 192.168.1.100 dev eth0:1 |
禁用ARP响应：在/etc/sysctl.conf中添加以下内容：
| net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 net.ipv4.conf.eth0.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.eth0.arp_announce = 2 |
使配置生效：
| sysctl -p |
6.1.4 验证负载均衡
在客户端浏览器中访问http://192.168.1.100，可以看到请求被分发到不同的后端服务器。
6.2 实现HTTPS负载均衡
假设有两台后端服务器192.168.1.103和192.168.1.104，它们都运行着HTTPS服务。我们将使用LVS来实现HTTPS服务的负载均衡。
6.2.1 环境准备
确保以下环境：
负载均衡器的IP：192.168.1.105
后端服务器的IP：192.168.1.103和192.168.1.104
后端服务器安装并运行HTTPS服务（如Apache或Nginx）
6.2.2 配置负载均衡器
在负载均衡器上安装并配置LVS。
安装ipvsadm：
| yum install ipvsadm -y |
配置LVS-DR模式：
# 启动IPVSADM服务
| systemctl start ipvsadm | |
| systemctl enable ipvsadm |
# 添加虚拟服务器
| ipvsadm -A -t 192.168.1.105:443 -s rr |
# 添加后端服务器
| ipvsadm -a -t 192.168.1.105:443 -r 192.168.1.103:443 -g | |
| ipvsadm -a -t 192.168.1.105:443 -r 192.168.1.104:443 -g |
查看LVS配置：
| ipvsadm -L -n |
6.2.3 配置后端服务器
在每台后端服务器上进行以下配置：
设置虚拟IP地址：
| ifconfig eth0:1 192.168.1.105 netmask 255.255.255.255 up |
配置路由：
| route add -host 192.168.1.105 dev eth0:1 |
禁用ARP响应：
在/etc/sysctl.conf中添加以下内容：
| net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 net.ipv4.conf.eth0.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.eth0.arp_announce = 2 |
使配置生效：
| sysctl -p |
6.2.4 验证负载均衡
在客户端浏览器中访问https://192.168.1.105，可以看到请求被分发到不同的后端服务器。
6.3 实现TCP负载均衡
假设有两台后端服务器192.168.1.106和192.168.1.107，它们都运行着TCP服务（如数据库服务）。我们将使用LVS来实现TCP服务的负载均衡。
6.3.1 环境准备
确保以下环境：
负载均衡器的IP：192.168.1.108
后端服务器的IP：192.168.1.106和192.168.1.107
后端服务器安装并运行TCP服务（如MySQL）
6.3.2 配置负载均衡器
在负载均衡器上安装并配置LVS。
安装ipvsadm：
| yum install ipvsadm -y |
配置LVS-DR模式：
# 启动IPVSADM服务
| systemctl start ipvsadm | |
| systemctl enable ipvsadm |
# 添加虚拟服务器
| ipvsadm -A -t 192.168.1.108:3306 -s rr |
# 添加后端服务器
| ipvsadm -a -t 192.168.1.108:3306 -r 192.168.1.106:3306 -g ipvsadm -a -t 192.168.1.108:3306 -r 192.168.1.107:3306 -g |
查看LVS配置：
| ipvsadm -L -n |
6.3.3 配置后端服务器
在每台后端服务器上进行以下配置：
设置虚拟IP地址：
| route add -host 192.168.1.105 dev eth0:1 |
ifconfig eth0:1 192.168.1.108 netmask 255.255.255.255 up
配置路由：
| route add -host 192.168.1.105 dev eth0:1 |
route add -host 192.168.1.108 dev eth0:1
禁用ARP响应：
在/etc/sysctl.conf中添加以下内容：
| net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 net.ipv4.conf.eth0.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.eth0.arp_announce = |
使配置生效：
| sysctl -p |
6.3.4 验证负载均衡
使用数据库客户端连接192.168.1.108，可以看到请求被分发到不同的后端服务器。
七、总结
通过本文，我们详细介绍了LVS的概念、架构、工作原理、搭建过程、常用命令及实战案例。LVS作为一种高效的负载均衡解决方案，在处理大量并发请求和实现服务高可用性方面表现优异。掌握LVS的使用，可以大大提升系统的性能和可靠性。