2、高可用负载均衡集群——LVS负载均衡的介绍及LVS的不同模式（1）

目录

 

一. LVS简介

 二.LVS的基本工作原理

三、LVS的组成

四、LVS相关术语

五.LVS三种模式的详解

六.总结 

七.新的转发模式FULLNAT模式

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一. LVS简介

 LVS（Linux Virtual Server）即Linux虚拟服务器，是由章文嵩博士主导的开源负载均衡项目，目前LVS已经被集成到Linux内核模块中。该项目在Linux内核中实现了基于IP的数据请求负载均衡调度方案，其体系结构如图1所示，终端互联网用户从外部访问公司的外部负载均衡服务器，终端用户的Web请求会发送给LVS调度器，调度器根据自己预设的算法决定将该请求发送给后端的某台Web服务器，比如，轮询算法可以将外部的请求平均分发给后端的所有服务器，终端用户访问LVS调度器虽然会被转发到后端真实的服务器，但如果真实服务器连接的是相同的存储，提供的服务也是相同的服务，最终用户不管是访问哪台真实服务器，得到的服务内容都是一样的，整个集群对用户而言都是透明的。最后根据LVS工作模式的不同，真实服务器会选择不同的方式将用户需要的数据发送到终端用户，LVS工作模式分为NAT模式、TUN模式、以及DR模式。

 二.LVS的基本工作原理

1. 当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间

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. IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链

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

三、LVS的组成

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1.ipvs(ip virtual server)：一段代码工作在内核空间，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。
2. ipvsadm：另外一段是工作在用户空间，叫ipvsadm，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)

四、LVS相关术语

1. DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
2. RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
3. VIP：Virtual IP 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。
7. VS  : Virtual server

五.LVS三种模式的详解

1.NAT模式

（1）NAT模式：重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。

（2）实现原理

 NAT（Network Address Translation）即网络地址转换，其作用是通过数据报头的修改，使得位于企业内部的私有IP地址可以访问外网，以及外部用用户可以访问位于公司内部的私有IP主机。负载调度器可以使用两块网卡配置不同的IP地址，eth0设置为私钥IP与内部网络通过交换设备相互连接，eth1设备为外网IP与外部网络联通。

       第一步，用户通过互联网DNS服务器解析到公司负载均衡设备上面的外网地址，相对于真实服务器而言，LVS外网IP又称VIP（Virtual IP Address），用户通过访问VIP，即可连接后端的真实服务器（Real Server），而这一切对用户而言都是透明的，用户以为自己访问的就是真实服务器，但他并不知道自己访问的VIP仅仅是一个调度器，也不清楚后端的真实服务器到底在哪里、有多少真实服务器。

   第二步，用户将请求发送至172.25.60.1，此时LVS将根据预设的算法选择后端的一台真实服务器，将数据请求包转发给真实服务器，并且在转发之前LVS会修改数据包中的目标地址以及目标端口，目标地址与目标端口将被修改为选出的真实服务器IP地址以及相应的端口。

    第三步，真实的服务器将响应数据包返回给LVS调度器，调度器在得到响应的数据包后会将源地址和源端口修改为VIP及调度器相应的端口，修改完成后，由调度器将响应数据包发送回终端用户，另外，由于LVS调度器有一个连接Hash表，该表中会记录连接请求及转发信息，当同一个连接的下一个数据包发送给调度器时，从该Hash表中可以直接找到之前的连接记录，并根据记录信息选出相同的真实服务器及端口信息。

1.客户端将访问vip报文发送给LVS服务器；
2.LVS服务器将请求报文的目的地址修改为后端真实服务器(DNAT)，发送给后端真实服务器；
3.后端服务器在处理完之后要将响应的报文返回给客户端，但是却不在同一网段；
4.LVS根据自己的追踪技术将后端真实服务响应客户端的报文原地址改为自己的ip地址(SNAT)，发送给客户端。
（2）NAT模式的优缺点
要求：
1.LVS服务器需要有不同的网段。
2.真实服务器的网关必须设置为LVS的ip地址。
优点：
1.安全
2.可以实现不同网段的数据请求。
缺点：
因为在 VS/NAT 中请求和响应报文都需要通过负载调度器，伸缩能力有限, 当服务器结点数目升到 20 时,调度器本身
有可能成为系统的新瓶颈。
 

2.DR模式

（1）工作原理

DR模式也叫直接路由模式，其体系结构如图所示，该模式中LVS依然仅承担数据的入站请求以及根据算法选出合理的真实服务器，最终由后端真实服务器负责将响应数据包发送返回给客户端。与隧道模式不同的是，直接路由模式（DR模式）要求调度器与后端服务器必须在同一个局域网内，VIP地址需要在调度器与后端所有的服务器间共享，因为最终的真实服务器给客户端回应数据包时需要设置源IP为VIP地址，目标IP为客户端IP，这样客户端访问的是调度器的VIP地址，回应的源地址也依然是该VIP地址（真实服务器上的VIP），客户端是感觉不到后端服务器存在的。由于多台计算机都设置了同样一个VIP地址，所以在直接路由模式中要求调度器的VIP地址是对外可见的，客户端需要将请求数据包发送到调度器主机，而所有的真实服务器的VIP地址必须配置在Non-ARP的网络设备上，也就是该网络设备并不会向外广播自己的MAC及对应的IP地址，真实服务器的VIP对外界是不可见的，但真实服务器却可以接受目标地址VIP的网络请求，并在回应数据包时将源地址设置为该VIP地址。调度器根据算法在选出真实服务器后，在不修改数据报文的情况下，将数据帧的MAC地址修改为选出的真实服务器的MAC地址，通过交换机将该数据帧发给真实服务器。整个过程中，真实服务器的VIP不需要对外界可见。

 (2)LVS-DR模式的优缺点
1.客户端将访问vip报文发送给LVS服务器；
2.LVS服务器将请求报文的mac地址改为后端真实服务器的mac地址；
3.后端真实服务器得到访问报文后进行ip查看，再确认自己有vip之后进行请求处理；
4.后端真实服务器在处理完数据请求后，直接响应客户端。
要求：
1.LVS服务器和后端真实的服务器要处在同一vlan中。
2.LVS和后端服务器上都要有vip，并且后端真实服务器上的vip不能对外进行广播。
优点：
1.LVS服务器只是修改了mac地址，所以非常快速，并且LVS不会成为瓶颈。
缺点：
1.要求较高，LVS服务器必须和后端真实服务器处于同一vlan中；
2.后端真实服务器直接响应客户端，对于后端真实服务器来说，并不安全。

3.TUN模式

（1）工作原理

 在LVS（NAT）模式的集群环境中，由于所有的数据请求及响应的数据包都需要经过LVS调度器转发，如果后端服务器的数量大于10台，则调度器就会成为整个集群环境的瓶颈。我们知道，数据请求包往往远小于响应数据包的大小。因为响应数据包中包含有客户需要的具体数据，所以LVS（TUN）的思路就是将请求与响应数据分离，让调度器仅处理数据请求，而让真实服务器响应数据包直接返回给客户端。VS/TUN工作模式拓扑结构如图3所示。其中，IP隧道（IP tunning）是一种数据包封装技术，它可以将原始数据包封装并添加新的包头（内容包括新的源地址及端口、目标地址及端口），从而实现将一个目标为调度器的VIP地址的数据包封装，通过隧道转发给后端的真实服务器（Real Server），通过将客户端发往调度器的原始数据包封装，并在其基础上添加新的数据包头（修改目标地址为调度器选择出来的真实服务器的IP地址及对应端口），LVS（TUN）模式要求真实服务器可以直接与外部网络连接，真实服务器在收到请求数据包后直接给客户端主机响应数据。

 

（2）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)

（3）tun模式的优缺点

1.客户端将访问vip报文发送给LVS服务器；
2.LVS服务器将请求报文重新封装，发送给后端真实服务器；
3.后端真实服务器将请求报文解封，在确认自身有vip之后进行请求处理；
4.后端真实服务器在处理完数据请求后，直接响应客户端。
要求：
1.lvs和后端真实服务器上都要有vip。
2.不会成为瓶颈。
3.请求的报文不能太大。
优点：
1.快速
2.不安全，不能抵抗DOS攻击

六.总结 

LVS各转发模式运维成本高
–新转发模式FULLNAT：实现LVS-RealServer间跨vlan通讯，并且in/out流都经过LVS；
•缺少攻击防御模块
–SYNPROXY：synflood攻击防御模块
–其它TCP FLAG DDOS攻击防御策略
•性能无法线性扩展
–Cluster部署模式

七.新的转发模式FULLNAT模式

1.客户端将访问vip报文发送给LVS服务器；
2.LVS服务器将请求报文的目的地址修改为后端真实服务器(DNAT)，源地址改为自己的ip地址(SNAT)，发送给后端真实服务器；
3.后端服务器在处理完之后要将响应的报文返回给lvs；
4.LVS将返回的数据包源地址改为自己(SNAT)，目的地址改为客户端(DNAT)，发送给客户端。

fullnat模式和nat模式相似，但是与nat不同的是nat模式只做了两次地址转换，fullnat模式却做了四次。