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IPVS调度算法之SH

程序员文章站 2024-03-13 15:42:51
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SH(Source Hashing)调度算法,将连接调度到连接数量较少的真实服务器。

调度器注册

SH调度器的定义结构为ip_vs_sh_scheduler,使用函数register_ip_vs_scheduler注册到IPVS的调度器系统中。

static struct ip_vs_scheduler ip_vs_sh_scheduler =
{
    .name =                 "sh",
    .n_list  =              LIST_HEAD_INIT(ip_vs_sh_scheduler.n_list),
    .init_service =         ip_vs_sh_init_svc,
    .done_service =         ip_vs_sh_done_svc,
    .add_dest =             ip_vs_sh_dest_changed,
    .del_dest =             ip_vs_sh_dest_changed,
    .upd_dest =             ip_vs_sh_dest_changed,
    .schedule =             ip_vs_sh_schedule,
};

static int __init ip_vs_sh_init(void)
{
    return register_ip_vs_scheduler(&ip_vs_sh_scheduler);
}

虚拟服务初始化

如下命令,在添加虚拟服务时,指定使用SH调度器。另外指定SH的两个调度标志(sh-fallback和sh-port):

# ipvsadm -A -t 207.175.44.110:80 -s sh --sched-flags sh-fallback,sh-port

内核在虚拟服务(ip_vs_bind_scheduler函数)绑定调度器时,调用调度器的init_service函数指针。对于SH调度器,即以下的ip_vs_sh_init_svc函数。在此函数中,分配一个ip_vs_sh_state结构作为虚拟服务的调度私有数据(sched_data)。

static int ip_vs_sh_init_svc(struct ip_vs_service *svc)
{
    struct ip_vs_sh_state *s;

    s = kzalloc(sizeof(struct ip_vs_sh_state), GFP_KERNEL);
    if (s == NULL)
        return -ENOMEM;

    svc->sched_data = s;

    /* assign the hash buckets with current dests */
    ip_vs_sh_reassign(s, svc);

    return 0;
}

SH的私有调度数据结构为ip_vs_sh_state,其成员buckets是大小为256(默认)的数组,每个数组元素用来缓存一个真实服务器结构(ip_vs_dest)。

struct ip_vs_sh_bucket {
    struct ip_vs_dest __rcu *dest;  /* real server (cache) */
};

struct ip_vs_sh_state {
    struct rcu_head                 rcu_head;
    struct ip_vs_sh_bucket          buckets[IP_VS_SH_TAB_SIZE];
};

初始化函数ip_vs_sh_init_svc的最后,调用ip_vs_sh_reassign,其完成将虚拟服务结构中关联的真实服务器缓存到SH私有调度数据中的工作。由于在创建虚拟服务时,还没有配置关联的真实服务器,sched_data中的真实服务器缓存都置为空。

另外,当更改虚拟服务的调度器时,针对新的调度器也需要进行绑定操作,也会调用到init_service回调函数指针。此时,有可能用户已经配置了真实服务器,所以,此时调用ip_vs_sh_reassign函数将真正的缓存真实服务器在sched_data中。稍后接收函数ip_vs_sh_reassign。

在删除虚拟服务或者修改虚拟服务所使用的调度器时,内核需在函数ip_vs_unbind_scheduler中解绑调度器,此时如果调度器实现了done_service回调指针函数,将在此函数中被调用。对于SH调度器,为以下函数:

static void ip_vs_sh_done_svc(struct ip_vs_service *svc)
{
    struct ip_vs_sh_state *s = svc->sched_data;

    /* got to clean up hash buckets here */
    ip_vs_sh_flush(s);

    /* release the table itself */
    kfree_rcu(s, rcu_head);
}

函数ip_vs_sh_flush用于释放真实服务器的引用计数。之后ip_vs_sh_done_svc函数释放在之前的ip_vs_sh_init_svc初始化函数中分配的ip_vs_sh_state结构。

static void ip_vs_sh_flush(struct ip_vs_sh_state *s)
{
    int i;
    struct ip_vs_sh_bucket *b;
    struct ip_vs_dest *dest;

    b = &s->buckets[0];
    for (i=0; i<IP_VS_SH_TAB_SIZE; i++) {
        dest = rcu_dereference_protected(b->dest, 1);
        if (dest) {
            ip_vs_dest_put(dest);
            RCU_INIT_POINTER(b->dest, NULL);
        }
        b++;
    }
}

真实服务器操作

以下命令添加真实服务器:

# ipvsadm -a -t 207.175.44.110:80 -r 192.168.10.1:80 -m --weight 3 

内核在处理添加真实服务器(__ip_vs_update_dest)操作时,将调用虚拟服务绑定的调度器的add_dest回调函数指针,如果是编辑真实服务器,将调用upd_dest函数指针。对于SH算法,这两个函数指针都是以下函数:

static int ip_vs_sh_dest_changed(struct ip_vs_service *svc, struct ip_vs_dest *dest)
{
    struct ip_vs_sh_state *s = svc->sched_data;

    /* assign the hash buckets with the updated service */
    ip_vs_sh_reassign(s, svc);

    return 0;
}

可见,核心函数为ip_vs_sh_reassign。循环256次(IP_VS_SH_TAB_SIZE),将虚拟服务(svc)关联的真实服务器(destinations)缓存到SH调度器数据的buckets中。如果真实服务器数量小于256,在遍历完所有真实服务器之后,再次从头开始遍历真实服务器链表进行缓存,所以此种情况下buckets的多个位置将缓存相同的真实服务器。

另外,如果真实服务器指定了weight权重参数,如以上ipvsadm命令中的–weight 3,ip_vs_sh_reassign函数将此真实服务器缓存到连续的3个buckets位置。

static int ip_vs_sh_reassign(struct ip_vs_sh_state *s, struct ip_vs_service *svc)
{
    int i;
    struct ip_vs_sh_bucket *b;
    struct list_head *p;
    struct ip_vs_dest *dest;
    int d_count;
    bool empty;

    b = &s->buckets[0];
    p = &svc->destinations;
    empty = list_empty(p);
    d_count = 0;
    for (i=0; i<IP_VS_SH_TAB_SIZE; i++) {
        dest = rcu_dereference_protected(b->dest, 1);
        if (dest)
                ip_vs_dest_put(dest);
        if (empty)
                RCU_INIT_POINTER(b->dest, NULL);
        else {
            if (p == &svc->destinations)
                    p = p->next;

            dest = list_entry(p, struct ip_vs_dest, n_list);
            ip_vs_dest_hold(dest);
            RCU_INIT_POINTER(b->dest, dest);

            /* Don't move to next dest until filling weight */
            if (++d_count >= atomic_read(&dest->weight)) {
                p = p->next;
                d_count = 0;
            }
        }
        b++;
    }
    return 0;
}

调度处理

SH调度器调度函数如下ip_vs_sh_schedule,其根据创建虚拟服务时指定的两个调度标志(sh-fallback和sh-port)做不同的处理。进行哈希运算的IP地址,对于初始数据流方向,其为源IP地址;对于相反方向,其为目的IP地址。

static struct ip_vs_dest *ip_vs_sh_schedule(struct ip_vs_service *svc, const struct sk_buff *skb, struct ip_vs_iphdr *iph)
{
    struct ip_vs_dest *dest;
    struct ip_vs_sh_state *s;
    const union nf_inet_addr *hash_addr;

    hash_addr = ip_vs_iph_inverse(iph) ? &iph->daddr : &iph->saddr;

    if (svc->flags & IP_VS_SVC_F_SCHED_SH_PORT)
        port = ip_vs_sh_get_port(skb, iph);

    s = (struct ip_vs_sh_state *) svc->sched_data;

    if (svc->flags & IP_VS_SVC_F_SCHED_SH_FALLBACK)
        dest = ip_vs_sh_get_fallback(svc, s, hash_addr, port);
    else
        dest = ip_vs_sh_get(svc, s, hash_addr, port);

    return dest;
}

首先,如果两个调度标志都没有指定,其使用函数ip_vs_sh_get进行调度。根据IP地址计算的hash值,作为索引由SH调度数据sched_data的buckets数组中获取调度的真实服务器结构。此种情况下端口port的值为零。

static inline unsigned int ip_vs_sh_hashkey(int af, const union nf_inet_addr *addr, __be16 port, unsigned int offset)
{
    __be32 addr_fold = addr->ip;

#ifdef CONFIG_IP_VS_IPV6
    if (af == AF_INET6)
        addr_fold = addr->ip6[0]^addr->ip6[1]^ addr->ip6[2]^addr->ip6[3];
#endif
    return (offset + (ntohs(port) + ntohl(addr_fold))*2654435761UL) &
            IP_VS_SH_TAB_MASK;
}

static inline struct ip_vs_dest *ip_vs_sh_get(struct ip_vs_service *svc, struct ip_vs_sh_state *s, const union nf_inet_addr *addr, __be16 port)
{
    unsigned int hash = ip_vs_sh_hashkey(svc->af, addr, port, 0);
    struct ip_vs_dest *dest = rcu_dereference(s->buckets[hash].dest);

    return (!dest || is_unavailable(dest)) ? NULL : dest;
}

其次,如果设置了sh-port标志(IP_VS_SVC_F_SCHED_SH_PORT),将由以下函数ip_vs_sh_get_port获取报文中的源端口号。之后在计算hash值时,将使用此源端口和IP地址进行计算,参见以上函数ip_vs_sh_get。

static inline __be16 ip_vs_sh_get_port(const struct sk_buff *skb, struct ip_vs_iphdr *iph)
{
    __be16 _ports[2], *ports;

    switch (iph->protocol) {
    case IPPROTO_TCP:
    case IPPROTO_UDP:
    case IPPROTO_SCTP:
        ports = skb_header_pointer(skb, iph->len, sizeof(_ports), &_ports);
        if (unlikely(!ports))
                return 0;

        if (likely(!ip_vs_iph_inverse(iph)))
                return ports[0];
        else
                return ports[1];
    default:
        return 0;
    }
}

最后,如果设置了sh-fallback标志(IP_VS_SVC_F_SCHED_SH_FALLBACK),将使用以下函数ip_vs_sh_get_fallback进行调度。如果IP地址和端口号获取到的真实服务器可用,返回此真实服务器。否者,意味着不可用,即此服务器的权重weight小于零或者其已经过载,此时,遍历整个SH的buckets中缓存的真实服务器,此遍历由以上计算的hash值ihash与数组偏移之和作为新的偏移值,重新计算hash,寻找第一个可用的真实服务器。

static inline struct ip_vs_dest *ip_vs_sh_get_fallback(struct ip_vs_service *svc, struct ip_vs_sh_state *s,
                      const union nf_inet_addr *addr, __be16 port)
{
    unsigned int offset, roffset;
    unsigned int hash, ihash;
    struct ip_vs_dest *dest;

    ihash = ip_vs_sh_hashkey(svc->af, addr, port, 0);
    dest = rcu_dereference(s->buckets[ihash].dest);
    if (!dest)
        return NULL;
    if (!is_unavailable(dest))
        return dest;

    for (offset = 0; offset < IP_VS_SH_TAB_SIZE; offset++) {
        roffset = (offset + ihash) % IP_VS_SH_TAB_SIZE;
        hash = ip_vs_sh_hashkey(svc->af, addr, port, roffset);
        dest = rcu_dereference(s->buckets[hash].dest);
        if (!dest)
            break;
        if (!is_unavailable(dest))
            return dest;
    }
    return NULL;
}

内核版本 4.15

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