一.集群
随着互联网的发展，大量的客户请求蜂拥而至，同时服务器的负载也越来越大，然而单台服务器的负载又是有限的，这样就会导致服务器响应客户端请求的时间越长，甚至产生拒绝服务的情况。另外，目前的网站多数是7x24小时提供不间断网络服务，如果仅采用单点服务器对外提供网络服务，那么在出现单点故障时，将导致整个网络服务中断。这时我们需要部署集群架构，最终将成百上千台主机有机地结合在一起，以满足当前大数据时代的海量访问负载。在部署集群环境时可以选择的产品有很多，有些事基于硬件实现的，有些是基于软件实现的。其中负载均衡的硬件设备有F5的BIG-IP、Radware和AppDirector，以及梭子鱼的负载均衡设备等，软件有基于Linux的LVS、Nginx和HAProxy等产品。在集群环境中的核心是负载均衡和高可用，下面将围绕这两点核心功能进行软件实现。
二.LVS负载均衡
LVS(Linux Virtual Server)即Linux虚拟服务器，是由章文嵩博士主导开发的开源负载均衡项目，目前LVS已经被集成到Linux内核模块中。该项目在Linux内核中实现了基于IP的数据请求负载均衡调度方案，其体系结构如图所示：
终端互联网用户从外部访问公司的外部负载均衡服务器，终端用户的Web请求会发送给LVS调度器，调度器根据自己预设的算法决定将该请求发送给后端的某台Web服务器，比如，轮询算法可以将外部的请求平均分发给后端的所有服务器，终端用户访问LVS调度器虽然会被转发到后端真实的服务器，但如果真实服务器连接的是相同的存储，提供的服务也都是相同的服务，最终用户不管是访问哪台真实的服务器，得到的服务内容都是一样的，整个集群对用户而言都是透明的。最后根据LVS工作模式的不同，真实服务器会选择不同的方式将用户需要的数据发送给终端用户，LVS工作模式分为NAT模式、TUN模式以及DR模式。
三.基于NAT的LVS负载均衡
NAT(Network Address Translation)即网络地址转换，其作用是通过数据报头的修改，使位于企业内部的私有IP地址可以访问外网，以及外部用户可以访问位于公司内部的私有IP主机。VS/NAT工作模式拓扑结构如图所示：
LVS负载调度器使用两块网卡配置不同的IP地址，eno16777736设置为私钥IP与内部网络通过交换设备相互连接，eno33554984设置为外网IP与外部网络联通。
第一步，用户通过互联网DNS服务器解析到公司负载均衡设备上面的外网IP地址，相对于真实服务器而言，LVS的外网IP又称为VIP(Virtual IP Address)，用户通过访问VIP，即可连接后端的真实服务器(Real Server),而这一切对用户而言都是透明的，用户以为自己访问的就是真实的服务器，但他并不知道自己访问的VIP仅仅是一个调度器，也不清楚后端的真实服务器到底在哪里、有多少台真实服务器。
第二步，用户将数据请求发送至124.126.147.168，此时LVS将根据预设的算法选择后端的一台真实服务器(192.168.0.1-192.168.0.3)，将数据请求包转发给真实服务器，并且在转发之前LVS会修改数据包中的目标地址及目标端口，目标地址与目标端口将被修改为选出的真实服务器IP地址及相应的端口。
第三步，真实的服务器将响应数据包返回给LVS调度器，调度器在得到响应数据包后会将源地址与源端口修改为VIP及调度器相应的端口，修改完成后，由调度器将响应数据包发送回终端用户。另外，由于LVS调度器有一个连接Hash表，该表中会记录连接请求及转发信息，当同一个连接的下一个数据包发送给调度器时，从该Hash表中可以直接找到之前的连接记录，并根据该记录信息选出相同的真实服务器及端口信息。
四.基于TUN的LVS负载均衡
在LVS(NAT)模式的集群环境中，由于所有的数据请求及响应的数据包都需要经过LVS调度器转发，如果后端服务器的数量大于10台，则调度器就会成为整个集群环境的瓶颈。我们知道，数据请求包往往远远小于响应数据包的大小。因为响应数据包中包含有客户需要的具体数据，所以LVS(TUN)的思路就是将请求和响应数据分离，让调度器仅处理数据请求，而让真实服务器将响应数据包直接返回给客户端。VS/TUN工作模式拓扑结构如图所示：
其中，IP隧道(IP tunning)是一种数据包封装技术，它可以将原始数据包封装并添加新的包头(内容包括新的源地址及端口、目标地址及端口)，从而实现将一个目标为调度器VIP地址的数据包封装，通过隧道转发给后端的真实服务器(Real Server)，通过将客户端发往调度器的原始数据包封装，并在其基础上添加新的数据包头(修改目标地址为调度器选择出来的真实服务器的IP地址及对应端口)，LVS(TUN)模式要求真实服务器可以直接与外部网络连接，真实服务器在收到请求数据包后直接给客户端主机响应数据。
五.基于DR的LVS负载均衡
在LVS(TUN)模式下，由于需要在LVS调度器与真实服务器之间创建隧道连接，这同样会增加服务器的负担。与LVS(TUN)类似，DR模式也叫直接路由模式，其体系结构如图所示：
该模式中LVS依然仅承担数据的入站请求以及根据算法选出合理的真实服务器，最终由后端真实服务器负责将响应数据包发送返回给客户端。与隧道模式不同的是，直接路由模式要求调度器与后端服务器必须在一个局域网内，VIP地址需要在调度器与后端所有的服务器间共享，因为最终的真实服务器给客户端回应数据包时需要设置源IP为VIP地址，目标IP为客户端IP，这样客户端访问的是调度器的VIP地址，回应的源地址也依然是该VIP地址(真实服务器上的VIP)，客户端是感觉不到后端服务器存在的。由于多台计算机都设置了同样一个VIP地址，所以在直接路由模式中要求调度器的VIP地址是对外可见的，客户端需要将请求数据包发送到调度器主机，而所有的真实服务器的VIP地址必须配置在Non-ARP的网络设备上，也就是该网络设备并不会向外广播自己的MAC以及对应的IP地址，真实服务器的VIP对外界是不可见的，但真实服务器却可以接收目标地址为VIP的网络请求，并在回应数据包时将源地址设置为该VIP地址。调度器根据算法在选出真实服务器后，在不修改数据报文的情况下，将数据帧的MAC地址修改为选出的服务器的MAC地址，通过交换机将该数据帧转发给真实服务器。整个过程中，真实服务器的VIP不需要对外界可见。
六.LVS负载均衡调度算法
根据前面的介绍，我们了解了LVS的三种模式，但不管实际环境中采用的是哪种模式，调度器进行调度的策略与算法都是LVS的核心技术，LVS在内核中主要实现了以下八种调度算法。
(1)轮询调度
(2)加权轮询调度
(3)最小连接调度
(4)加权最小连接调度
(5)基于局部性最小的连接
(6)带复制的基于局部性最小连接
(7)目标地址散列调度
(8)源地址散列调度
轮询算法(RR)就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上，该算法最大的特点就是实现简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器。
加权轮询算法(WRR)主要是对轮询算法的一种优化与补充，LVS会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加一个权值，如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度器调度到服务器B的请求会是服务器的A的两倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。
最小连接调度算法(LC)将把请求调度到连接数量最小的服务器上，而加权最小连接算法(WLC)则是给每个服务器一个权值，调度器会尽可能保持服务器连接数量与权值之间的平衡。
基于局部性的最小连接调度算法(LBLC)是请求数据包的目标IP地址的一种调度算法，该算法先根据请求的目标IP地址寻找最近该目标IP地址所使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则会继续选择其他可行的服务器。带复制的基于局部性最小连接算法(LBLCR)记录的不是一个目标IP与一台服务器之间连接记录，它会维护一个目标IP到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。
目标地址散列调度算法(DH)也是根据目标IP地址通过散列函数将目标IP与服务器建立映射关系，出现服务器不可用或负载过高的情况下，发往该目标IP的请求会固定发给该服务器。
源地址散列调度算法(SH)与目标地址散列调度算法类似，但它是根据源地址散列调度算法进行静态分配固定的服务器资源。