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Linux 负载均衡
随着计算机技术的发展和越来越广泛的应用，越来越多的依赖于计算机技术的
应用系统走进了我们的工作和生活。在给我们带来方便和效率的同时，也使得各行
各业对于计算机技术的依赖程度越来越高。尽管随着计算机技术以日新月异的速度
发展，单台计算机的性能和可靠性越来越好，但还是有许多现实的要求是单台计算
机难以达到的。为了满足日益膨胀的需求，计算机应用中引入了集群技术。
本章目标：
学习完本章你将能够
¾ 了解集群的优点
¾ 理解 LVS 的工作原理
¾ 使用 LVS 搭建企业集群服务器
1. 集群技术简介
1.1 为什么要集群
当今计算机技术已进入以网络为中心的计算时期。由于客户/服务器模型的简单
性、易管理性和易维护性，客户/服务器计算模式在网上被大量采用。在九十年代中
期，万维网（World Wide Web）的出现以其简单操作方式将图文并茂的网上信息带
给普通大众，Web 也正在从一种内容发送机制成为一种服务平台，大量的服务和应
用（如新闻服务、网上银行、电子商务等）都是围绕着 Web 进行。这促进 Internet
用户剧烈增长和 Internet 流量爆炸式地增长。
Internet 的飞速发展给网络带宽和服务器带来巨大的挑战。从网络技术的发展来
看，网络带宽的增长远高于处理器速度和内存访问速度的增长，如 100M Ethernet、
ATM、Gigabit Ethernet 等不断地涌现，10Gigabit Ethernet 即将就绪，在主干网上密
集波分复用（DWDM）将成为宽带 IP 的主流技术。所以，我们深信越来越多的瓶颈
会出现在服务器端。很多研究显示 Gigabit Ethernet 在服务器上很难使得其吞吐率达
到 1Gb/s 的原因是协议栈（TCP/IP）和操作系统的低效，以及处理器的低效，这需
要对协议的处理方法、操作系统的调度和 IO 的处理作更深入的研究。
大部分网站都需要提供每天 24 小时、每星期 7 天的服务，对电子商务等网站尤
为突出，任何服务中断和关键性的数据丢失都会造成直接的商业损失。
现在 Web 服务中越来越多地使用 CGI、动态主页等 CPU 密集型应用，这对服
务器的性能有较高要求。未来的网络服务会提供更丰富的内容、更好的交互性、更
高的安全性等，需要服务器具有更强的 CPU 和 I/O 处理能力。例如，通过 HTTPS
（Secure HTTP）取一个静态页面需要的处理性能比通过 HTTP 的高一个数量级，
HTTPS 正在被电子商务站点广为使用。所以，网络流量并不能说明全部问题，要考
虑到应用本身的发展也需要越来越强的处理性能。
因此，对用硬件和软件方法实现高可伸缩、高可用网络服务的需求不断增长，
这种需求可以归结以下几点：
¾ 可伸缩性（Scalability），当服务的负载增长时，系统能被扩展来满足需求，且不降
低服务质量。
¾ 高可用性（Availability），尽管部分硬件和软件会发生故障，整个系统的服务必须
是每天 24 小时每星期 7 天可用的。
¾ 可管理性（Manageability），整个系统可能在物理上很大，但应该容易管理。
¾ 价格有效性（Cost-effectiveness），整个系统实现是经济的、易支付的。
要解决上述几个需求，靠单个的服务器不能满足需求，因此，只能使用多台服
务器联合工作以达到需求，这就是所谓的集群。
1.2 服务器集群优点
对称多处理（Symmetric Multi-Processor，简称 SMP）是由多个对称的处理器、
和通过总线共享的内存和 I/O 部件所组成的计算机系统。SMP 是一种低并行度的结
构，是我们通常所说的“紧耦合多处理系统”，它的可扩展能力有限，但 SMP 的优
点是单一系统映像（Single System Image），有共享的内存和 I/O，易编程。
由于 SMP 的可扩展能力有限，SMP 服务器显然不能满足高可伸缩、高可用网
络服务中的负载处理能力不断增长需求。随着负载不断增长，会导致服务器不断地
升级。这种服务器升级有下列不足：一是升级过程繁琐，机器切换会使服务暂时中
断，并造成原有计算资源的浪费；二是越往高端的服务器，所花费的代价越大；三
是 SMP 服务器是单一故障点（Single Point of Failure），一旦该服务器或应用软件失
效，会导致整个服务的中断。
通过高性能网络或局域网互联的服务器集群正成为实现高可伸缩的、高可用网
络服务的有效结构。这种松耦合结构的服务器集群系统有下列优点：
（1）性能
网络服务的工作负载通常是大量相互独立的任务，通过一组服务器分而治之，
可以获得很高的整体性能。
（2）性能/价格比
组成集群系统的 PC 服务器或 RISC 服务器和标准网络设备因为大规模生产降低
成本，价格低，具有最高的性能/价格比。若整体性能随着结点数的增长而接近线性
增加，该系统的性能/价格比接近于 PC 服务器。所以，这种松耦合结构比紧耦合的
多处理器系统具有更好的性能/价格比。
（3）可伸缩性
集群系统中的结点数目可以增长到几千个，乃至上万个，其伸缩性远超过单台
超级计算机。
（4）高可用性
在硬件和软件上都有冗余，通过检测软硬件的故障，将故障屏蔽，由存活结点
提供服务，可实现高可用性。
1.3 集群类型
目前的集群类型主要概括为三大类型：高可扩展性集群技术（负载均衡）、高 可
靠性集群和高性能计算集群。本章将讲解负载均衡技术，高可用性及高性能集群将
在后面介绍。
高可扩展性集群技术就是带均衡策略（算法）的服务器群集。负载均衡群集在
多节点之间按照一定的策略（算法）分发网络或计算处理负载。负载均衡建立在现
有网络结构之上，它提供了一种廉价有效的方法来扩展服务器带宽，增加吞吐量，
提高数据处理能力，同时又可以避免单点故障。
高可扩展性集群一般的框架结构如图 4-1 所示（以 Web 访问为例，其它应用类
似）。后台的多个 Web 服务器上面有相同的 Web 内容，Internet 客户端的访问请求首
先进入一台服务器，由它根据负载均衡策略（算法）合理地分配给某个 Web 服务器。
每个 Web 服务器有相同的内容做起来不难，所以选择负载均衡策略（算法）是个关
键问题。下面会专门介绍均衡算法。
图 4-1
负载均衡的作用就像轮流值日制度，把任务分给大家来完成，以免让一个人过
度劳累。但是与轮流值日制度不同的是，负载均衡是一种动态均衡，它通过一些工
具实时地分析数据包，掌握网络中的数据流量状况，把任务理分配出去。对于不同
的应用环境（如电子商务网站，它的计 算负荷大；再如网络数据库应用，读写频繁，
服务器的存储子系统系统面临很大压力；再如视频服务应用，数据传输量大，网络
接口负担重压。），使用的均衡策略(算法)是不同的。 所以均衡策略（算法）也就有
了多种多样的形式，广义上的负载均衡既可以设置专门的网关、负载均衡器，也可
以通过一些专用软件与协议来实现。在 OSI 七层协议模型中的第二（数据链路层）、
第三（网络层）、第四（传输层）、第七层（应用层）都有相应的负载均衡策略（算
法），在数据链路层上实现负载均衡的原理是根据数据包的目的 MAC 地址选择不同
的路径；在网络层上可利用基于 IP 地址的分配方式将数据流疏通到多个节点；而传
输层和应用层的交换（Switch），本身便是一种基于访问流量的控制方式，能够实现
负载均衡。
不同的集群软件实现的方法都不太相同，下面我们将介绍 Linux 下的负载均衡
集群 LVS（Linux Virtual Server）。
2. LVS 集群介绍
针对高可伸缩、高可用网络服务的需求，中国的章文嵩博士给出了基于 IP 层和
基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法，并在 Linux 内核中实现了这些方法，
将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。
虚拟服务器的体系结构如图 4-2 所示，一组服务器通过高速的局域网或者地理
分布的广域网相互连接，在它们的前端有一个负载调度器（Load Balancer）。负载调
度器能无缝地将网络请求调度到真实服务器上，从而使得服务器集群的结构对客户
是透明的，客户访问集群系统提供的网络服务就像访问一台高性能、高可用的服务
器一样。客户程序不受服务器集群的影响不需作任何修改。系统的伸缩性通过在服
务机群中透明地加入和删除一个节点来达到，通过检测节点或服务进程故障和正确
地重置系统达到高可用性。由于该负载调度技术是在 Linux 内核中实现的，因此称
之为 Linux 虚拟服务器（Linux Virtual Server）。
图 4-2
目前，LVS 项目已提供了一个实现可伸缩网络服务的 Linux Virtual Server 框架，
如图 4-3 所示。在 LVS 框架中，提供了含有三种 IP 负载均衡技术的 IP 虚拟服务器
软件 IPVS、基于内容请求分发的内核 Layer-7 交换机 KTCPVS 和集群管理软件。可
以利用 LVS 框架实现高可伸缩的、高可用的 Web、Cache、Mail 和 Media 等网络服
务；在此基础上，可以开发支持庞大用户数的、高可伸缩的、高可用的电子商务应
用。
