LVS三种负载均衡方式NAT、DR、NAT

r囧r小猫 2022-12-23 14:23 249阅读 0赞

# LVS三种负载均衡方式 #

LVS是Linux Virtual Server的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网站是http://www.linuxvirtualserver.org/.现在LVS已经是Linux内核标准的一部分。

使用LVS可以达到的技术目标是：通过LVS达到的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能高可用的Linux服务器群集，它具有良好的可靠性，可拓展性和可操作性，从而以低廉的成本实现最优的性能。

为什么Tomcat承受的并发少？因为Tomcat是工作在OSI参考模型的第7层，也就是应用层的软件，是整个网络通信过程中最末端的层次。而且Tomcat是Java开发的，它跑在JVM上，还要进行用户态内核态的切换，这样就更慢了。

现在我们从通信的角度考虑，如果有一个负载均衡服务器设备，可以实现根本不需要和客户端进行三次握手，收到数据包就直接转发出去，这样性能就会大大的提高，这就是一种数据包级别的四层负载均衡技术。

我们得到下面这样的拓扑模型，可以解决负载均衡的问题。

首先我们统一一下命名：

*  CIP：客户端的client IP地址。
 *  VIP：负载均衡服务器对外的虚拟virtual IP。
 *  DIP：用于分发的dispacher IP。
 *  RIP：真实服务器的real IP。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## NAT网路地址转换 ##

NAT：Network Address Translation，网络地址转换协议。

### S-NAT源地址转换 ###

假设你和你女朋友在家都要访问百度，你的IP:port是192.168.1.8:12121，你女朋友的IP:port是192.168.1.6:12121，如果不进行地址转换的话，你的数据包都不会出现在公网上，因为私有地址不会出现在互联网上，所有的路由器都会直接丢弃。

为了能让数据包发送出去，只需要把源IP地址为192.168.1.0网段的ip替换为路由器对应的外网IP地址6.6.6.6即可。

只改IP又会带来新的问题，百度返回报文中IP:port为6.6.6.6:12121，那么这个报文又对应内网的哪个主机呢？

为了解决这个问题，路由器自己需要维护一张转换表，生成一个自己的端口对应内网的一个IP:port，例如6.6.6.6:123对应192.168.1.8:12121，6.6.6.6::321对应192.168.1.6:12121，用不同的端口发送给百度，收到返回的数据包后，再按照自己记录的转换表，把网络包发送回给对应的主机。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

### D-NAT目标地址转换 ###

将上面的S-NAT进行反转，客户端发来的请求到负载均衡服务器，负载均衡服务器将请求分发到后面的服务器上，服务器将响应返回给负载均衡服务器，最后由负载均衡器返回给客户端。

可以用下图这种方式实现负载均衡：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

上图中，负载均衡服务器中同样需要维护一张转换表，记录某个端口的请求转发给哪些服务器，当然这个转发过程中还会涉及到负载均衡的算法，后面会介绍。

既然要查看端口，必然要将数据包解析到第四层网络层，所以LVS是基于第四层的负载均衡器，但是只是在网络层偷窥一下端口号，而不是真正的建立连接。

负载均衡服务器想要将数据分发给Real Server，只需要将目标IP地址替换为具体提供服务的服务器IP即可。

而数据包想要正确的返回给客户的，首先需要配置Real Server的默认网关为负载均衡服务器，这样数据包就能到达负载均衡服务器，然后由负载均衡服务器将源IP地址替换为VIP，最后返回给客户端。

弊端：

*  非对称：客户端给服务端发送的请求数据量是很小的，但是服务端给客户端返回的数据量很大。下行的数据使服务器带宽成为瓶颈。早期的ADSL可以达到6M的全速单一方向，如果平分的话，上下行都是3M。所以运营商做了手脚进行了调整，将下行的带宽调的很大，将上传的带宽调的比较小。
 *  消耗算力，返回给客户端的数据都要经过负载均衡服务器器。

怎么解决上述弊端？如果能够让Real Server返回的数据不经过负载均衡服务器，而是直接返回给客户端就好了，这就引出下面的模式-DR。

## DR直接路由模式 ##

于是我们想啊，如果有这么一种技术：每一个Real Server都能够配一个VIP，但是由于IP不能重复，所以这个VIP必须对外隐藏，只对内可见（其实是对ARP协议进行配置）。所有的Real Server共同在负载均衡服务器上对外暴露同一个VIP，别人请求只能请求到这台负载均衡服务器上来，负载均衡服务器在转发数据包的时候，只需要将封装的目标mac地址修改为Real Server的mac地址，这样数据就能从客户端到达Real Server，由于Real Server本身有VIP，所以可以直接向客户端返回数据包，而不需要走负载均衡服务器了。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

mac地址是点到点的，代表的是一跳的距离，要保证负载均衡服务器与你的Real Server在同一个局域网中，不能让下一跳跳到别的网络去。这种修改mac地址的模式是基于2层链路层的，没有修改3层网络层，缺点是不能跨网络。

优势：速度快，成本低。

## TUN隧道模式 ##

假设我们有好多好多的Real Server，现在这些Real Server和负载均衡服务器不在同一个机房了，怎么解决这个问题？使用隧道技术。

在`CIP->VIP`外面包裹一层`DIP->RIP`地址，这样数据包就可以顺利的从负载均衡服务器被发送到Real Server，Real Server收到这个数据包之后，把外层的`DIP->RIP`撕掉，就能看到真正的`CIP->VIP`，自己处理之后，根据`CIP->VIP`直接返回给客户端。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

我们以往用到的PPPOE协议、VPN、翻墙就是这种技术。

## DR模式实验 ##

服务器IP及部署角色如下：

*  node01：192.168.252.10，负载均衡器。
 *  node02：192.168.252.11，Real Server，上面部署httpd，对外提供服务。
 *  node03：192.168.252.12，Real Server，上面部署httpd，对外提供服务。

部署图如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

具体部署步骤如下：

1.  node02、node03分别安装httpd，并在浏览器测试能正常访问页面。

安装：`yum install -y httpd`

启动http：`systemctl start httpd`。

编辑首页，正常情况下，两个节点配置的页面应该一样，这里为了能看到效果才配置页面内容不一致：

// node02
    # echo node02 > /var/www/html/index.html
    
    // node03
    # echo node03 > /var/www/html/index.html

浏览器分别访问：`http://192.168.252.11`，`http://192.168.252.12`。

注意虚拟机需要关闭防火墙才能访问`systemctl stop firewalld`。

1.  node02、node03分别修改ARP协议，使得后面配置的VIP能够实现对外隐藏，只对内可见，这一步一定要在配置VIP之前，否则VIP就暴露出去了。

node02、node03分别执行如下命令：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens32/arp_ignore
    # echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens32/arp_announce
    # echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
    # echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

arp\_ignore参数表示接收到ARP请求时的响应级别，其取值如下：

*  0：响应任意网卡上接收到的对本机IP地址的arp请求（包括环回网卡上的地址），而不管该目的IP是否在接收网卡上。
 *  1：只响应目的IP地址为接收网卡上的本地地址的arp请求。
 *  2：只响应目的IP地址为接收网卡上的本地地址的arp请求，并且arp请求的源IP必须和接收网卡同网段。

arp\_announce参数表示将自己地址向外通告时的通告级别，其取值如下：

*  0：允许使用任意网卡上的IP地址作为arp请求的源IP，通常就是使用数据包a的源IP。
 *  1：尽量避免使用不属于该发送网卡子网的本地地址作为发送arp请求的源IP地址。
 *  2：忽略IP数据包的源IP地址，选择该发送网卡上最合适的本地地址作为arp请求的源IP地址。

1.  node02、node03分别配置VIP`ifconfig lo:1 192.168.252.100 netmask 255.255.255.255`。

注意这里的子网掩码是4个255，不是3个255，配置成3个255，虚拟机都会连接不上了，因为`192.168.252.0`网段的数据都会优先发送到`lo:1`这个网卡上，会造成死循环，数据无法返回。lo这个网卡是内核虚拟出来的，距离内核最近，所以会数据优先会发送到lo上。这样配置的另一个原因是因为这里的VIP要对外隐藏，对内可见，根本就不会有数据直接发送到这个`lo:1`网卡上，配置一个VIP只是为了能让计算机接收目标IP为`192.168.252.100`的数据而已，数据发送出去还是会走真实的网卡`ens32`。

1.  node01上安装ipvsadm，`yum install -y ipvsadm`

lvs已经被内核内置了，无需安装，这里需要安装的是ipvsadm，用来管理lvs，相当于lvs的一个客户端。

配置路由：

# ipvsadm -A -t 192.168.252.100:80 -s rr
    # ipvsadm -a -t 192.168.252.100:80 -r 192.168.252.11
    # ipvsadm -a -t 192.168.252.100:80 -r 192.168.252.12

到这里，lvs的DR模式已经配置完成，可以去客户端的浏览器访问`http://192.168.252.100`，可以观测到结果了。

查看lvs中配置的规则：

# ipvsadm -ln
    IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
    Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
      -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
    TCP  192.168.252.100:80 rr
      -> 192.168.252.11:80            Route   1      0          0         
      -> 192.168.252.12:80            Route   1      0          0

## 负载均衡调度方法 ##

四种静态调度方法：

*  RR：轮询调度（Round-Robin Scheduling）。
 *  WRR：加权轮询调度（Weighted Round-Robin Scheduling）。
 *  DH：目标地址散列调度（Destination Hashing Scheduling）。
 *  SH：源地址散列调度（Source Hashing Scheduling）。

动态调度方法：

*  LC：最小连接调度（Least-Connection Scheduling）。
 *  WLC：加权最小连接调度（Weighted Least-Connection Scheduling）。
 *  LBLC: 基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections Scheduling）。
 *  LBLCR：带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication Scheduling）
 *  SED: 最短期望延迟（Shortest Expected Delay）。
 *  NQ: 最少队列调度(Never Queue)。

疑问：lvs是一个基于四层的负载均衡器，没有与客户端建立连接，而动态调度算法中都需要统计连接数，那么它是怎么统计的呢？答案还是偷窥，在网络层中偷窥到三次握手中的SYN\_RECV包，那么连接数就加1，偷窥到FIN\_WAIT包，那么连接数就减1，这点在lvs的连接记录中可以看到：

# ipvsadm -lnc
    IPVS connection entries
    pro expire state       source             virtual            destination
    TCP 00:07  FIN_WAIT    192.168.252.1:9276 192.168.252.100:80 192.168.252.12:80

由于时间较短，正常情况下看不到SYN\_RECV的记录，一旦看到了那么三次握手就卡住了，后边网络层可能出现了问题。

## ipvsadm的使用 ##

管理集群服务：`ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [--pe persistence_engine] [-b sched-flags]`

*  \-A：添加。
    
     *  \-t：TCP协议的集群。
     *  \-u：UDP协议的集群。
     *  \-f：防火墙标记。
     *  service-address：IP:PORT。
     *  \-s：负载均衡的算法，后面会介绍。
 *  \-E：修改。
 *  \-D：删除。
 *  \-C：清空ipvs规则，删除所有集群服务。
 *  \-S：保存规则，例子：`ipvsadm -S > /path/to/somefile`。
 *  \-R：载入此前的规则，例子：`ipvsadm -R < /path/form/somefile`。

管理集群服务中的Real Server：`ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [options]`

*  \-a：添加。
    
     *  \-t|u|f：与上面管理集群服务配置的含义一致。
     *  service-address：IP:PORT。
     *  \-r：Real Server的IP。
     *  \[-g|i|m\]: LVS的工作模式，-g: DR，-i: TUN，-m: NAT。
     *  \[-w weight\]：定义服务器权重
 *  \-e：修改。
 *  \-d：删除。

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