LVS 实现原理与内核框架

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　　本文由 wensong 在2006-03-03 23:25 提交。
　　我们分别在Linux 内核2.0和内核2.2中修改了TCP/IP协议栈，在IP层截取和改写/转发IP报文，实现了三种IP负载均衡技术，并提供了一个ipvsadm程序进行虚拟服务器的配置和管理。在Linux 内核2.4和2.6中，我们把它实现为NetFilter的一个模块，很多代码作了改写和进一步优化，目前版本已在网上发布，根据反馈信息该版本已经较稳定。

　　图1：LVS系统的主要功能模块
　　系统的主要功能模块如图1所示，“VS Schedule & Control Module”是虚拟服务器的主控模块，它挂接在IP报文遍历的LOCAL_IN链和IP_FORWARD链两处，用于截取/改写IP报文；“VS Rules Table”用于存放虚拟服务器的规则，“Connections Hash Table”表是用于记录当前连接的Hash表；“Stale Connection Collector”模块用于回收已经过时的连接；“Statistics Data”表记录IPVS的统计信息。用户空间的ipvsadm管理程序通过setsockopt()函数将虚拟服务器的规则写入“VS Rules Table”表中，通过/proc文件系统把“VS Rules Table”表中的规则读出。
　　当一个IP报文到达时，若报文的目标地址是本地的IP地址，IP报文会转到LOCAL_IN链上，否则转到IP_FORWARD链上。IPVS模块主要挂接在LOCAL_IN链和IP_FORWARD链两处。当一个目标地址为Virtual IP Address的报文到达时，该报文会被挂接在LOCAL_IN链上的IPVS程序捕获，若该报文属于在连接Hash表中一个已建立的连接，则根据连接的信息将该报文发送到目标服务器，否则该报文为SYN时，根据连接调度算法从一组真实服务器中选出一台服务器，根据IP负载调度设置的规则将报文发送给选出的服务器，并在连接Hash表中记录这个连接。挂接在IP_FORWARD链上的IPVS程序是改写VS/NAT中服务器响应报文的地址。
　　连接的Hash表可以容纳几百万个并发连接，在Linux内核2.2和内核2.4的IP虚拟服务器版本中每个连接只占用128Bytes有效内存，例如一个有256M可用内存的调度器就可调度两百万个并发连接。连接Hash表的桶个数可以由用户根据实际应用来设定，来降低Hash的冲突率。
　　在每个连接的结构中有连接的报文发送方式、状态和超时等。报文发送方式有VS/NAT、VS/TUN、VS/DR和本地结点，报文会被以连接中设定的方式发送到目标服务器。这意味着在一个服务器集群中，我们可以用不同的方式（VS/NAT、VS/TUN或VS/DR）来调度不同的服务器。连接的状态和超时用于记录连接当前所在的状态，如SYN_REC、ESTABLISHED和FIN_WAIT等，不同的状态有不同的超时值。