IPVS调度算法之SH
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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