IPVS

IPVS 是什么？

IPVS（IP Virtual Server） 是 Linux 内核内置的第4层（传输层）负载均衡器，是 LVS（Linux Virtual Server）项目的核心组件。

基本概念

  • 工作层级：传输层（TCP/UDP）
  • 实现方式：内核空间实现，高性能
  • 功能：将 TCP/UDP 请求负载均衡到多个真实服务器

IPVS 的核心架构

客户端请求
    ↓
虚拟服务 (Virtual Service) - VIP:Port
    ↓
负载均衡调度算法
    ↓
真实服务器池 (Real Servers)

IPVS 的主要作用

1. 高性能负载均衡

# IPVS 处理能力可达数十万并发连接
# 相比 iptables 有更好的性能表现

2. 多种负载均衡算法

# 查看支持的调度算法
grep -i ip_vs /lib/modules/$(uname -r)/modules.builtin

# 常用算法：
rr      # 轮询 (Round Robin)
wrr     # 加权轮询 (Weighted RR)
lc      # 最少连接 (Least Connection)
wlc     # 加权最少连接 (Weighted LC)
sh      # 源地址哈希 (Source Hashing)
dh      # 目标地址哈希 (Destination Hashing)

3. 多种工作模式

NAT 模式（网络地址转换）

# 请求和响应都经过负载均衡器
# 配置示例
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.244.1.10:80 -m
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.244.1.11:80 -m

DR 模式（直接路由）

# 响应直接返回客户端，不经过负载均衡器
# 高性能模式
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.244.1.10:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.244.1.11:80 -g

TUN 模式（IP 隧道）

# 通过 IP 隧道转发请求
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.244.1.10:80 -i
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.244.1.11:80 -i

IPVS 在 Kubernetes 中的应用

kube-proxy IPVS 模式的优势

# 性能对比
iptables: O(n) 链式查找，规则多时性能下降
ipvs:   O(1) 哈希表查找，高性能

Kubernetes 中的 IPVS 配置

# 查看 kube-proxy 是否使用 IPVS 模式
kubectl -n kube-system get pods -l k8s-app=kube-proxy -o yaml | grep mode

# 查看 IPVS 规则
ipvsadm -Ln

IPVS 的核心功能

1. 连接调度

# 不同调度算法的应用场景
rr      # 通用场景，服务器性能相近
wrr     # 服务器性能差异较大
lc      # 长连接服务，如数据库
sh      # 会话保持需求

2. 健康检查

# IPVS 本身不提供健康检查
# 需要配合 keepalived 或其他健康检查工具

3. 会话保持

# 使用源地址哈希实现会话保持
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s sh

IPVS 管理命令详解

基本操作

# 添加虚拟服务
ipvsadm -A -t|u|f <service-address> [-s scheduler]

# 添加真实服务器
ipvsadm -a -t|u|f <service-address> -r <server-address> [-g|i|m] [-w weight]

# 示例
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s wlc
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.10:8080 -m -w 1
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.11:8080 -m -w 2

监控和统计

# 查看连接统计
ipvsadm -Ln --stats
ipvsadm -Ln --rate

# 查看当前连接
ipvsadm -Lnc

# 查看超时设置
ipvsadm -L --timeout

IPVS 与相关技术对比

IPVS vs iptables

特性IPVSiptables
性能O(1) 哈希查找O(n) 链式查找
规模支持大量服务规则多时性能下降
功能专业负载均衡通用防火墙
算法多种调度算法简单轮询

IPVS vs Nginx

特性IPVSNginx
层级第4层 (传输层)第7层 (应用层)
性能内核级，更高用户空间，功能丰富
功能基础负载均衡内容路由、SSL终止等

实际应用场景

1. Kubernetes Service 代理

# kube-proxy 为每个 Service 创建 IPVS 规则
ipvsadm -Ln
# 输出示例：
TCP  10.96.0.1:443 rr
  -> 192.168.1.10:6443    Masq    1      0          0
TCP  10.96.0.10:53 rr
  -> 10.244.0.5:53        Masq    1      0          0

2. 高可用负载均衡

# 配合 keepalived 实现高可用
# 主备负载均衡器 + IPVS

3. 数据库读写分离

# 使用 IPVS 分发数据库连接
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:3306 -s lc
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:3306 -r 192.168.1.20:3306 -m
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:3306 -r 192.168.1.21:3306 -m

总结

IPVS 的主要用途：

  1. 高性能负载均衡 - 内核级实现，处理能力强大
  2. 多种调度算法 - 适应不同业务场景
  3. 多种工作模式 - NAT/DR/TUN 满足不同网络需求
  4. 大规模集群支持 - 适合云原生和微服务架构
  5. Kubernetes 集成 - 作为 kube-proxy 的后端，提供高效的 Service 代理

在 Kubernetes 环境中，IPVS 模式相比 iptables 模式在大规模服务下具有明显的性能优势，是生产环境推荐的负载均衡方案。