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Linux服务器集群系统——LVS集群中的IP负载均衡技术( 三 )

LVS集群


在贝尔实验室的 ONE-IP[11]中，每台服务器都独立的IP地址，但都用IP Alias配置上同一VIP地址，采用路由和广播两种方法分发请求，服务器收到请求后按VIP地址处理请求，并以VIP为源地址返回结果 。这种方法也是为了避免回应报文的重写，但是每台服务器用IP Alias配置上同一VIP地址，会导致地址冲突，有些操作系统会出现网络失效 。通过广播分发请求，同样需要修改服务器操作系统的源码来过滤报文，使得只有一台服务器处理广播来的请求 。
微软的windows NT负载均衡服务（Windows NT Load Balancing Service，WLBS）[12]是1998年底收购Valence Research公司获得的，它与ONE-IP中的基于本地过滤方法一样 。WLBS作为过滤器运行在网卡驱动程序和TCP/IP协议栈之间，获得目标地址为VIP的报文，它的过滤算法检查报文的源IP地址和端口号，保证只有一台服务器将报文交给上一层处理 。但是，当有新结点加入和有结点失效时，所有服务器需要协商一个新的过滤算法，这会导致所有有Session的连接中断 。同时，WLBS需要所有的服务器有相同的配置，如网卡速度和处理能力 。
3. 通过NAT实现虚拟服务器（VS/NAT）
由于IPv4中IP地址空间的日益紧张和安全方面的原因，很多网络使用保留IP地址（10.0.0.0/255.0.0.0、 172.16.0.0/255.128.0.0和192.168.0.0/255.255.0.0）[64, 65, 66] 。这些地址不在Internet上使用，而是专门为内部网络预留的 。当内部网络中的主机要访问Internet或被Internet访问时，就需要采用网络地址转换（Network Address Translation, 以下简称NAT），将内部地址转化为Internets上可用的外部地址 。NAT的工作原理是报文头（目标地址、源地址和端口等）被正确改写后，客户相信它们连接一个IP地址，而不同IP地址的服务器组也认为它们是与客户直接相连的 。由此，可以用NAT方法将不同IP地址的并行网络服务变成在一个IP地址上的一个虚拟服务 。
VS/NAT的体系结构如图2所示 。在一组服务器前有一个调度器，它们是通过Switch/HUB相连接的 。这些服务器提供相同的网络服务、相同的内容，即不管请求被发送到哪一台服务器，执行结果是一样的 。服务的内容可以复制到每台服务器的本地硬盘上，可以通过网络文件系统（如NFS）共享，也可以通过一个分布式文件系统来提供 。

Linux服务器集群系统——LVS集群中的IP负载均衡技术

文章插图
VS/NAT的体系结构
客户通过Virtual IP Address（虚拟服务的IP地址）访问网络服务时，请求报文到达调度器，调度器根据连接调度算法从一组真实服务器中选出一台服务器，将报文的目标地址 Virtual IP Address改写成选定服务器的地址，报文的目标端口改写成选定服务器的相应端口，最后将修改后的报文发送给选出的服务器 。同时，调度器在连接Hash 表中记录这个连接，当这个连接的下一个报文到达时，从连接Hash表中可以得到原选定服务器的地址和端口，进行同样的改写操作，并将报文传给原选定的服务器 。当来自真实服务器的响应报文经过调度器时，调度器将报文的源地址和源端口改为Virtual IP Address和相应的端口，再把报文发给用户 。我们在连接上引入一个状态机，不同的报文会使得连接处于不同的状态，不同的状态有不同的超时值 。在TCP 连接中，根据标准的TCP有限状态机进行状态迁移，这里我们不一一叙述，请参见W. Richard Stevens的《TCP/IP Illustrated Volume I》；在UDP中，我们只设置一个UDP状态 。不同状态的超时值是可以设置的，在缺省情况下，SYN状态的超时为1分钟，ESTABLISHED状态的超时为15分钟，FIN状态的超时为1分钟；UDP状态的超时为5分钟 。当连接终止或超时，调度器将这个连接从连接Hash表中删除 。
这样，客户所看到的只是在Virtual IP Address上提供的服务，而服务器集群的结构对用户是透明的 。对改写后的报文，应用增量调整Checksum的算法调整TCP Checksum的值，避免了扫描整个报文来计算Checksum的开销 。
在一些网络服务中，它们将IP地址或者端口号在报文的数据中传送，若我们只对报文头的IP地址和端口号作转换，这样就会出现不一致性，服务会中断 。所以，针对这些服务，需要编写相应的应用模块来转换报文数据中的IP地址或者端口号 。我们所知道有这个问题的网络服务有FTP、IRC、H.323、 CUSeeMe、Real Audio、Real Video、Vxtreme / Vosiac、VDOLive、VIVOActive、True Speech、RSTP、PPTP、StreamWorks、NTT AudioLink、NTT SoftwareVision、Yamaha MIDPlug、iChat Pager、Quake和Diablo 。
下面，举个例子来进一步说明VS/NAT，如图所示：


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