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  编者按:本文对大流量、高负载LVS系统优化提供了参考意见,从IPVS、网卡、TCP/IP配置、硬件资源配置等方面进行了阐述。文章重点关注了IPVS connection hash table的参数计算过程。

  Linux环境

  CentOS 5.5

  名词

  LVS : Linux Virtual Server

  IPVS : IP Virtual Server,IPVS 是 LVS 实现的关键。

  IPVS connection hash table : IPVS连接哈希表,用来“跟踪”进来、出去的网络包(for input and output packets lookups of IPVS)。

  ip_vs_conn 结构体: 定义在内核档 include/net/ip_vs.h 中。该结构体(对象)是 IPVS 的调度对象。在 32 位系统上 128字节,64位系统上 192 字节。

  IPVS connection hash table

  内核中的代码:net/netfilter/ipvs/ip_vs_conn.c

  int ip_vs_conn_tab_bits;

  编译时可以定,Kconfig文件中说明该值的大小应该在 8 到 20 之间。当ip_vs_conn_tab_bits=20 时,哈希表的的大小(条目)为 pow(2,20),即 1048576,约 104 万,足够用了。

  int ip_vs_conn_tab_size;

  IPVS哈希连接表的条目数(list_head结构数)。

  ip_vs_conn_tab_size = 1 << ip_vs_conn_tab_bits;

  哈希表的大小(条目数)是 2 的 ip_vs_conn_tab_bits 次方。

  ip_vs_conn_tab = vmalloc(ip_vs_conn_tab_size * sizeof(struct list_head));

  其中 IPVS连接哈希表占用的内存大小是 ip_vs_conn_tab_size * sizeof(struct list_head)

  内核Kconfig文件中说一个哈希条目点用8个字节,但是实示上,一个条目占用的内存大小是和 list_head 结构体的大小相关, (可能)在32位的内核里是8个字节,64位的内核里是16个字节。当加载ip_vs模块的时候,使用dmesg可以看到具体的信息:

  在32位系统上

  IPVS: Registered protocols (TCP, UDP, AH, ESP)

  IPVS: Connection hash table configured (size=4096, memory=32Kbytes)

  IPVS: ipvs loaded.

  在64位的系统上:

  IPVS: Registered protocols (TCP, UDP, AH, ESP)

  IPVS: Connection hash table configured (size=4096, memory=64Kbytes)

  IPVS: ipvs loaded.

  哈希冲突,是哈希算法的致命伤。“IPVS”使用“链表策略”(chaining scheme) 解决哈希冲突。当有大量的连接时,一个大的 “IPVS连接哈希表”将大大减少冲突。减少了冲突,意为着IPVS定位 ip_vs_conn 对象的速度更快。

  下图示意了哈希表(Hash Table)这种数据结构。引用

  
哈希表

  如上图所示,首先分配一个指针数组,数组的每个元素是一个链表的头指针,每个链表称为一个槽(Slot)。哪个数据应该放入哪个槽中由哈希函数决定,在这个例子中我们简单地选取哈希函数h(x) = x % 11,这样任意数据x都可以映射成0~10之间的一个数,就是槽的编号,将数据放入某个槽的操作就是链表的插入操作。

  如果每个槽里至多只有一个数据,可以想像这种情况下search、insert和delete操作的时间复杂度都是O(1),但有时会有多个数据被哈希函数映射到同一个槽中,这称为碰撞(Collision),设计一个好的哈希函数可以把数据比较均匀地分布到各个槽中,尽量避免碰撞。如果能把n个数据比较均匀地分布到m个槽中,每个糟里约有n/m个数据,则search、insert和delete和操作的时间复杂度都是O(n/m),如果n和m的比是常数,则时间复杂度仍然是O(1)。一般来说,要处理的数据越多,构造哈希表时分配的槽也应该越多,所以n和m成正比这个假设是成立的。

  关联到IPVS,ip_vs_conn_tab_size 指的就是“槽”的数量。 N 指的应该是所有的调度对象 struct ip_vs_conn 的数量。

  确定 ip_vs_conn_tab_bits 的最佳值:

  假如你的 LVS 上每秒有 W 个“连接”建立, 平均每个“连接”将要保持 S 秒,即每个连接工作 S 秒,最佳 ip_vs_conn_tab_bits 值应该满足 2 的 ip_vs_conn_tab_bits 次方靠近 W*S。最佳的 ip_vs_conn_tab_bits = log(W*S,2).

  还有一个容易的方法:

  使用 slabtop 观察 ip_vs_conn 结构的数量(OBJS),当然,应该是在系统流量最高的时候取得这个值,对该值求以 2为底 的对数,log(OBJS,2)。

  获取ip_vs_conn OBJS的值:awk ‘/ip_vs_conn/{print $3}’ /proc/slabinfo

  这个最佳值,以我理解,就是上面 “哈希表”结构说明中提到的M值,而 OBJS 就是 N 值 ,当M接近 N的时候,哈希表的复制度为O(1),为最佳状态。

  使我不解的是,这里为什么不设置的更大一些,仅仅是浪费一些内存而且(一个条目用去8或者16个字节)。即使取最大值 20,在64位内核上,也才只占去16M的内存,在32位的内核上,占去8M内存。

  IPVS的默认值是12,32位机用掉 32K,64位机用掉 64K内存。假如不是因为小内存容易使用CPU缓存,那么就一定是为了节省内存,在服务器上,这样的策略,明显落后了。

  问题的关键是查明 vmalloc() 函数的作用。

  vmalloc() 函数的作用:

  申请逻辑地址连续的内存,返回首内存地址。

  看来IPVS连接哈希表的大小,与使用的内存(是高速缓存,还是普通内存)并无影响。

  调整 ip_vs_conn_tab_bits的方法:

  新的IPVS代码,允许调整 ip_vs_conn_bits 的值。而老的IPVS代码则需要通过重新编译来调整。

  在发行版里,IPVS通常是以模块的形式编译的。

  确认能否调整使用命令 modinfo -p ip_vs(查看 ip_vs 模块的参数),看有没有 conn_tab_bits 参数可用。假如可以用,那么说时可以调整,调整方法是加载时通过设置 conn_tab_bits参数:

  在 /etc/modprobe.conf 添加下面一行

  options ip_vs conn_tab_bits=20

  假如没有 conn_tab_bits 参数可用,则需要重新调整编译选项,重新编译。

  很不幸,即使将CentOS内核升级到最新版,也不支持这个参数,只能自定义编译了(没有编译成功,很郁闷)。

  另外,假如IPVS支持调整 ip_vs_conn_tab_bits,而又将IPVS集成进了内核,那么只能通过重启,向内核传递参数来调整了。在引导程序的 kernel 相关的配置行上,添加:ip_vs.conn_tab_bits=20 ,然后,重启。

  最终建意:

  增大哈希表,调到 ip_vs_conn_tab_bits 到 20 。有一种说法是哈希表过大,会影响性能。但是根据我对哈希算法的理解,这种说法没有道理。

  另一个有力的证据是,IPVS的作者也是这样配置的。

  Network

  增加LVS主机的网络吞吐能力,有利于提高LVS的处理速度和能力。

  1. 使用更快的网卡,比如使用千兆、万兆的网卡。

  2. 可以进一步将两块或多块网卡绑定(多块网卡的绑定有待验证),bonding 时 mode=0 (balance-rr)或者 mode=4(802.3ad,需要交换机支持聚合端口),miimon=80或者 miimon=100(毫秒)。

  TCP/IP

  /etc/sysctl.conf

  net.core.netdev_max_backlog = 60000

  Hardware

  IPVS的运行,使用的服务器资源主要是 CPU、内存I/O、网络I/O;IPVS完全运行在内存中,并且运行在内核态。

  当IPVS的应用在DR模式时,即不耗CPU,也不耗I/O,运行非常快,所以系统负载非常的低,跟据我的经验,一般负载总是0。所以 LVS 应用对服务器的配置要求非常低。以为 LVS 很重要,所以配置一个相当高端的服务器,实在是一种浪费。

  其实我们可以做一下计算:

  以64位系统为例,一个哈希表条目,16个字节,一个 ip_vs_conn 结构 192字节。以哈希表的冲突尽可能的少为场景(将 ip_vs_conn_tab_bits 设置为最大值 20 ),那么:

  pow(2,20)=1048576

  pow(2,20)*(16+192)/1024/1024 = 208 M

  就是说,当系统当前有100 万连接的时候,才用去内存 208 M,所以 IPVS 的主机,即使是1G的内存,也足以承载负载。

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