美团面试题：如何设计负载均衡架构支撑千万级用户的高并发访问？

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1.1 负载均衡介绍

1.1.1 负载均衡的妙用

1.1.2 为什么要用lvs

那为什么要用lvs呢？

ü 简单一句话，当并发超过了Nginx上限，就可以使用LVS了。

ü 日1000-2000W PV或并发请求1万以下都可以考虑用Nginx。

ü 大型门户网站，电商网站需要用到LVS。

1.2 LVS介绍

LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统，可以在UNIX/LINUX平台下实现负载均衡集群功能。该项目在1998年5月由章文嵩博士组织成立，是 中国国内最早出现的自由软件项目之一 。

1.2.1 相关参考资料

LVS官网： http://www.linuxvirtualserver.org/index.html

相关中文资料

1.2.2 LVS内核模块ip_vs介绍

ü LVS无需安装

ü 安装的是管理工具，第一种叫ipvsadm，第二种叫keepalive

ü ipvsadm是通过命令行管理，而keepalive读取配置文件管理

ü 后面我们会用Shell脚本实现keepalive的功能

1.3 LVS集群搭建

1.3.1 集群环境说明

主机说明

web环境说明

web服务器的搭建参照：

Tomcat：

http://www.cnblogs.com/clsn/p/7904611.html

Nginx：

http://www.cnblogs.com/clsn/p/7750615.html

1.3.2 安装ipvsadm管理工具

安装管理工具

查看当前LVS状态，顺便激活LVS内核模块。

查看系统的LVS模块。

1.3.3 LVS集群搭建

命令集 ：

检查结果 ：

ipvsadm参数说明： (更多参照 man ipvsadm)

1.3.4 在web浏览器配置操作

命令集 ：

至此LVS集群配置完毕 ！

1.3.5 进行访问测试

浏览器访问：

命令行测试：

抓包查看结果：

arp解析查看：

1.4 负载均衡（LVS）相关名词

术语说明：

1.4.1 LVS集群的工作模式--DR直接路由模式

DR模式是通过改写请求报文的目标MAC地址，将请求发给真实服务器的，而真实服务器将响应后的处理结果直接返回给客户端用户。

DR技术可极大地提高集群系统的伸缩性。但要求调度器LB与真实服务器RS都有一块物理网卡连在同一物理网段上，即必须在同一局域网环境。

DR直接路由模式说明：

a)通过在调度器LB上修改数据包的目的MAC地址实现转发。注意，源IP地址仍然是CIP，目的IP地址仍然是VIP。

b)请求的报文经过调度器，而RS响应处理后的报文无需经过调度器LB，因此，并发访问量大时使用效率很高，比Nginx代理模式强于此处。

c)因DR模式是通过MAC地址的改写机制实现转发的，因此，所有RS节点和调度器LB只能在同一个局域网中。需要注意RS节点的VIP的绑定(lo:vip/32)和ARP抑制问题。

d)强调一下：RS节点的默认网关不需要是调度器LB的DIP，而应该直接是IDC机房分配的上级路由器的IP(这是RS带有外网IP地址的情况)，理论上讲，只要RS可以出网即可，不需要必须配置外网IP，但走自己的网关，那网关就成为瓶颈了。

e)由于DR模式的调度器仅进行了目的MAC地址的改写，因此，调度器LB无法改变请求报文的目的端口。LVS DR模式的办公室在二层数据链路层（MAC），NAT模式则工作在三层网络层（IP）和四层传输层（端口）。

f)当前，调度器LB支持几乎所有UNIX、Linux系统，但不支持windows系统。真实服务器RS节点可以是windows系统。

g)总之，DR模式效率很高，但是配置也较麻烦。因此，访问量不是特别大的公司可以用haproxy/Nginx取代之。这符合运维的原则：简单、易用、高效。日1000-2000W PV或并发请求1万以下都可以考虑用haproxy/Nginx(LVS的NAT模式)

h)直接对外的访问业务，例如web服务做RS节点，RS最好用公网IP地址。如果不直接对外的业务，例如：MySQL，存储系统RS节点，最好只用内部IP地址。

DR的实现原理和数据包的改变

(a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP

(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链

(c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址

(d) 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。

(e) RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP

(f) 响应报文最终送达至客户端

1.5 在web端的操作有什么含义？

1.5.1 RealServer为什么要在lo接口上配置VIP？

既然要让RS能够处理目标地址为vip的IP包，首先必须要让RS能接收到这个包。

在lo上配置vip能够完成接收包并将结果返回client。

1.5.2 在eth0网卡上配置VIP可以吗？

不可以，将VIP设置在eth0网卡上,会影响RS的arp请求,造成整体LVS集群arp缓存表紊乱，以至于整个负载均衡集群都不能正常工作。

1.5.3 为什么要抑制ARP响应？

① arp协议说明

为了提高IP转换MAC的效率，系统会将解析结果保存下来，这个结果叫做ARP缓存。

ARP缓存表是把双刃剑

ARP广播进行新的地址解析

测试命令

windows查看arp -a

③arp_announce和arp_ignore详解

lvs在DR模式下需要关闭arp功能

arp_announce

对网络接口上，本地IP地址的发出的，ARP回应，作出相应级别的限制:

确定不同程度的限制,宣布对来自本地源IP地址发出Arp请求的接口

arp_ignore 定义

对目标地定义对目标地址为本地IP的ARP询问不同的应答模式0

抑制RS端arp前的广播情况

抑制RS端arp后广播情况

1.6 LVS集群的工作模式

DR（Direct Routing）直接路由模式

NAT（Network Address Translation）

TUN（Tunneling）隧道模式

FULLNAT（Full Network Address Translation）

1.6.1 LVS集群的工作模式--NAT

通过网络地址转换，调度器LB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处理之后，返回时必须要通过调度器，经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。

收费站模式---来去都要经过LB负载均衡器。

NAT方式的实现原理和数据包的改变

(a). 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP

(b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链

(c). IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP

(d). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server

(e). Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP

(f). Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP

LVS-NAT模型的特性

l RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP

l DIP和RIP必须在同一个网段内

l 请求和响应报文都需要经过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈

l 支持端口映射

l RS可以使用任意操作系统

l 缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server

1.6.2 LVS集群的工作模式--隧道模式TUN

采用NAT技术时，由于请求和响应的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，调度器把请求的报文通过IP隧道(相当于ipip或ipsec )转发至真实服务器，而真实服务器将响应处理后直接返回给客户端用户，这样调度器就只处理请求的入站报文。

由于一般网络服务应答数据比请求报文大很多，采用 VS/TUN技术后，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。

VS/TUN工作流程,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，连接数多少，动态地选择一台服务器，将原请求的报文封装在另一个IP报文中，再将封装后的IP报文转发给选出的真实服务器。

真实服务器收到报文后，先将收到的报文解封获得原来目标地址为VIP地址的报文, 服务器发现VIP地址被配置在本地的IP隧道设备上(此处要人为配置)，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。

TUN原理和数据包的改变

(a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。

(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链

(c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP

(d) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP

(e) RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP

(f) 响应报文最终送达至客户端

LVS-Tun模型特性

1.6.3 LVS集群的工作模式--FULLNAT

LVS的DR和NAT模式要求RS和LVS在同一个vlan中，导致部署成本过高；TUNNEL模式虽然可以跨vlan，但RealServer上需要部署ipip隧道模块等，网络拓扑上需要连通外网，较复杂，不易运维。

为了解决上述问题，开发出FULLNAT

该模式和NAT模式的区别是：数据包进入时，除了做DNAT，还做SNAT（用户ip->内网ip）

从而实现LVS-RealServer间可以跨vlan通讯，RealServer只需要连接到内网。类比地铁站多个闸机。

1.7 IPVS调度器实现了如下八种负载调度算法：

a) 轮询（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。

b) 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。

c) 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。

d) 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。

e) 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。

该算法根据请求的目标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。

f) 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。

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。

该算法根据请求的目标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"原则从这个集群中选出一 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。

g) 目标地址散列（Destination Hashing） Dh

"目标地址散列"调度算法根据请求的目标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。

h) 源地址散列（Source Hashing）SH

"源地址散列"调度算法根据请求的源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。

1.8 LVS+Keepalived方案实现

1.8.1 keepalived功能

1. 添加VIP

2. 添加LVS配置

3. 高可用（VIP漂移）

4. web服务器 健康 检查

1.8.2 在负载器安装Keepalived软件

# 检查软件是否安装

1.8.3 修改配置文件

lb03上keepalied配置文件

lb04的Keepalied配置文件

keepalived persistence_timeout参数意义 LVS Persistence 参数的作用

http://blog.csdn.net/nimasike/article/details/53911363

1.8.4 启动keepalived服务

1.8.5 在web服务器上进行配置

注意：web服务器上的配置为临时生效，可以将其写入rc.local文件，注意文件的执行权限。

使用curl命令进行测试

至此keepalived+lvs配置完毕

1.9 常见LVS负载均衡高可用解决方案

Ø 开发类似keepalived的脚本，早期的办法，现在不推荐使用。

Ø heartbeat+lvs+ldirectord脚本配置方案，复杂不易控制，不推荐使用

Ø RedHat工具piranha，一个web界面配置LVS。

Ø LVS-DR+keepalived方案，推荐最优方案，简单、易用、高效。

1.9.1 lvs排错思路

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