LVS 负载均衡原理

一 简介

负载均衡集群是 Load Balance 集群。是一种将网络上的访问流量分布于各个节点，以降低服务器压力，更好的向客户端提供服务的一种方式。常用开源负载均衡软件有Nginx、LVS、Haproxy(ngnix和haproxy是七层负载均衡，LVS是四层负载均衡)；商业的硬件负载均衡设备F5、Netscale。

四层就是基于IP和端口的负载均衡，七层就是基于URL等应用信息的负载均衡。所以简单的说四层负载均衡就是通过IP和端口接收请求再分发至真实的服务器，七层是通过URL或主机名接收请求，然后分发至真实的服务器。

二.LVS的实现原理

lvs的原理其实就是利用了Iptables的功能。了解防火墙的都知道四表五链。防火墙不仅仅有放火的功能还有转发，地址伪装，限流等等功能。

lvs实现原理

（1）首先，客户端向调度器（Director Server）发起一个请求，调度器将这个请求发送至内核

（2）PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链。

（3）当请求达到INPUT链上，调度器判断报文中的目标端口来确定这个访问是不是要访问集群服务（因为还有可能只是ssh想单纯的远程登录主机这个主机），如果是访问的集群服务，那么就会强制修改这个包的目标IP

（4）POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

五.LVS的工作原理

LVS 的工作模式分为4中分别是 NAT，DR，TUN，FULL-NAT。其中做个比较，由于工作原理的关系的，NAT的配置最为简单，但是NAT对调度器的压力太大了，导致其效率最低，DR和TUN的工作原理差不多，但是DR中，所有主机必须处于同一个物理环境中，而在TUN中，所有主机可以分布在不同的位置，服务器一个在纽约，一个在深圳。最多应用的是FULL-NAT。

其中的专业术语

1. DS：Director Server。指的是前端负载均衡器。
2. RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
3. VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
4. DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
5. RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
6. CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

 

    1.NAT模式

nat模式

客户发出请求，发送请求给链接调度器的VIP，调度器将请求报文中的目标Ip地址改为RIP。这样服务器RealServer将请求的内容发给调度器，调度器再将报文中的源IP地址改为VIP。

（1）当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
（2）PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
（3） IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP
（4） POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server
（5） Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
（6） Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP

    

 Nat模型的特点

1.很好配置，原理简单易懂

2.由于调度器的工作量太大，很容易成为整个集群系统的瓶颈。

3.RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP

4.支持端口映射

 

   2.DR模式

   整个DR模式都是停留在第二层的数据链路层。直接修改MAC。实现报文的转发。

                           

                                                                                                  dr模式

(1) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
(2) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
(3) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址
(4) 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。
(5) RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
(6) 响应报文最终送达至客户端

LVS-DR的特点

1.在前端路由器做静态地址路由绑定，将对于VIP的地址仅路由到Director Server

2.arptables：在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则，过滤RS响应ARP请求。

修改RS上内核参数（arp_ignore和arp_announce）将RS上的VIP配置在网卡接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

        3.TUN模式

和DR模式差不多，但是比DR多了一个隧道技术以支持realserver不在同一个物理环境中。就是realserver一个在北京，一个工作在上海。

在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IIP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP

 

         

tun模式

(1) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。
(2) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
(3) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(4) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(5)  RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
(6) 响应报文最终送达至客户端

 

    LVS-TUN的特点

1. RIP、VIP、DIP全是公网地址

2.RS的网关不会也不可能指向DIP

3.不支持端口映射
4.RS的系统必须支持隧道