LVS的DR、NAT模式实现http负载均衡
文章目录
- 一、lvs的三种模式及其原理
-
- 1.1 LVS简介
- 1.2 三种LVS工作模式详细
-
- NAT
- DR
- TUN
- 二、实例
-
- DR模式
- NAT模式
一、lvs的三种模式及其原理
1.1 LVS简介
LVS（linux virtual server）是linux虚拟服务器，目前LVS模块已经被集成在linux内核中了。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，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，调度器根据自己欲设算法将该请求发送给后端的某台web服务器，比如轮询调度法，一共有8中调度方法。LVS工作模式可以分为NAT模式、TUN模式和DR模式。
1.2 三种LVS工作模式详细
NAT
实现原理过程
① 用户请求数据包经过层层网络，到达 lvs 网卡，此时数据包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 VIP。
② 经过网卡进入网络层 prerouting 位置，根据目的 IP 查找路由，确认是本机 IP，将数据包转发到 INPUT 上，此时源、目的 IP 都未发生变化。
③ 到达 lvs 后，通过目的 IP 和目的 port 查找是否为 IPVS 服务。若是 IPVS 服务，则会选择一个 RS 作为后端服务器，将数据包目的 IP 修改为 RIP，并以 RIP 为目的 IP 查找路由信息，确定下一跳和出口信息，将数据包转发至 output 上。
④ 修改后的数据包经过 postrouting 和链路层处理后，到达 RS 服务器，此时的数据包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 RIP。
⑤ 到达 RS 服务器的数据包经过链路层和网络层检查后，被送往用户空间 nginx 程序。nginx 程序处理完毕，发送响应数据包，由于 RS 上默认网关配置为 lvs 设备 IP，所以 nginx 服务器会将数据包转发至下一跳，也就是 lvs 服务器。此时数据包源 IP 是 RIP，目的 IP 是 CIP。
⑥ lvs 服务器收到 RS 响应数据包后，根据路由查找，发现目的 IP 不是本机 IP，且 lvs 服务器开启了转发模式，所以将数据包转发给 forward 链，此时数据包未作修改。
⑦ lvs 收到响应数据包后，根据目的 IP 和目的 port 查找服务和连接表，将源 IP 改为 VIP，通过路由查找，确定下一跳和出口信息，将数据包发送至网关，经过复杂的网络到达用户客户端，最终完成了一次请求和响应的交互。
NAT 模式双向流量都经过 LVS，因此 NAT 模式性能会存在一定的瓶颈。不过与其它模式区别的是，NAT 支持端口映射，且支持 windows 操作系统。
DR
其实 DR 是最常用的工作模式，因为它的强大的性能。下边以一次请求和响应数据流的过程来描述 DR 模式的具体原理。
实现原理过程
① 当客户端请求 www.sina.com.cn 主页，经过 DNS 解析到 IP 后，向新浪服务器发送请求数据，数据包经过层层网络到达新浪负载均衡 LVS 服务器，到达 LVS 网卡时的数据包：源 IP 是客户端 IP 地址 CIP，目的 IP 是新浪对外的服务器 IP 地址，也就是 VIP；此时源 MAC 地址是 CMAC，其实是 LVS 连接的路由器的 MAC 地址（为了容易理解记为 CMAC），目标 MAC 地址是 VIP 对应的 MAC，记为 VMAC。
② 数据包到达网卡后，经过链路层到达 PREROUTING 位置（刚进入网络层），查找路由发现目的 IP 是 LVS 的 VIP，就会递送到 INPUT 链上，此时数据包 MAC、IP、Port 都没有修改。
③ 数据包到达 INPUT 链，INPUT 是 LVS 主要工作的位置。此时 LVS 会根据目的 IP 和 Port 来确认是否是 LVS 定义的服务，如果是定义过的 VIP 服务，就会根据配置的 Service 信息，从 RealServer 中选择一个作为后端服务器 RS1，然后以 RS1 作为目标查找 Out 方向的路由，确定一下跳信息以及数据包要通过哪个网卡发出。最后将数据包通过 INET_HOOK 到 OUTPUT 链上（Out 方向刚从四层进入网络层）。
④ 数据包通过 POSTROUTING 链后，从网络层转到链路层，将目的 MAC 地址修改为 RealServer 服务器 MAC 地址，记为 RMAC；而源 MAC 地址修改为 LVS 与 RS 同网段的 selfIP 对应的 MAC 地址，记为 DMAC。此时，数据包通过交换机转发给了 RealServer 服务器（注：为了简单图中没有画交换机）。
⑤ 请求数据包到达 RealServer 服务器后，链路层检查目的 MAC 是自己网卡地址。到了网络层，查找路由，目的 IP 是 VIP（lo 上配置了 VIP），判定是本地主机的数据包，经过协议栈后拷贝至应用程序（比如这里是 nginx 服务器），nginx 响应请求后，产生响应数据包。以目的 VIP 为 dst 查找 Out 路由，确定吓一跳信息和发送网卡设备信息，发送数据包。此时数据包源、目的 IP 分别是 VIP、CIP，而源 MAC 地址是 RS1 的 RMAC，目的 MAC 是下一跳（路由器）的 MAC 地址，记为 CMAC（为了容易理解，记为 CMAC）。然后数据包通过 RS 相连的路由器转发给真正客户端。
从整个过程可以看出，DR 模式 LVS 逻辑非常简单，数据包通过路由方式直接转发给 RS，而且响应数据包是由 RS 服务器直接发送给客户端，不经过 LVS。我们知道一般请求数据包会比较小，响应报文较大，经过 LVS 的数据包基本上都是小包，上述几条因素是 LVS 的 DR 模式性能强大的主要原因。
TUN
实现原理与过程
① 用户请求数据包经过多层网络，到达 lvs 网卡，此时数据包源 IP 是 cip，目的 ip 是 vip。
② 经过网卡进入网络层 prerouting 位置，根据目的 ip 查找路由，确认是本机 ip，将数据包转发到 input 链上，到达 lvs，此时源、目的 ip 都未发生变化。
③ 到达 lvs 后，通过目的 ip 和目的 port 查找是否为 IPVS 服务。若是 IPVS 服务，则会选择一个 rs 作为后端服务器，以 rip 为目的 ip 查找路由信息，确定下一跳、dev 等信息，然后 IP 头部前边额外增加了一个 IP 头（以 dip 为源，rip 为目的 ip），将数据包转发至 output 上。
④ 数据包根据路由信息经最终经过 lvs 网卡，发送至路由器网关，通过网络到达后端服务器。
⑤ 后端服务器收到数据包后，ipip 模块将 Tunnel 头部卸载，正常看到的源 ip 是 cip，目的 ip 是 vip，由于在 tunl0 上配置 vip，路由查找后判定为本机 ip，送往应用程序。应用程序 nginx 正常响应数据后以 vip 为源 ip，cip 为目的 ip 数据包发送出网卡，最终到达客户端。
Tunnel 模式具备 DR 模式的高性能，又支持跨机房访问，听起来比较完美了。
二、实例
// 在调度器主机上面过滤ipvs
[root@DR ~]# grep -iA 2 'ipvs' /boot/config-4.18.0-193.el8.x86_64
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_IPVS=m
# CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_L2TP is not set
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_LENGTH=m
--
# IPVS transport protocol load balancing support
#
CONFIG_IP_VS_PROTO_TCP=y
--
# IPVS scheduler
#
CONFIG_IP_VS_RR=m
--
# IPVS SH scheduler
#
CONFIG_IP_VS_SH_TAB_BITS=8
--
# IPVS MH scheduler
#
CONFIG_IP_VS_MH_TAB_INDEX=12
--
# IPVS application helper
#
CONFIG_IP_VS_FTP=m
有ipvs，证明支持lvs
环境说明：
| 主机名 | Dip | Vip | 职责 |
|---|---|---|---|
| DR | 192.168.91.132 | 192.168.58.200 | 调度器 |
| RS1 | 192.168.91.133 | 服务器（RS） | |
| RS2 | 192.168.91.135 | 服务器（RS） |
DR模式
准备工作：
DR
//关闭防火墙和selinux
[root@DR ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@DR ~]# vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
[root@DR ~]# setenforce 0
[root@DR ~]# reboot
//添加一个临时网卡作为"Vip"
[root@DR ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 dev ens160
[root@DR ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:cd:a4:aa brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.91.132/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
valid_lft 1572sec preferred_lft 1572sec
inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens160
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::f1de:a72e:4bf:9503/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever
//下载ipvsadm
[root@DR ~]# yum -y install ipvsadm
RS1
// 关闭防火墙和selinux
[root@RS1 ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@RS1 ~]# vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
[root@RS1 ~]# reboot
// 下载httpd服务，添加网页内容
[root@RS1 ~]# yum -y install httpd
[root@RS1 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
[root@RS1 ~]# ss -antl
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:*
LISTEN 0 128 *:80 *:*
LISTEN 0 128 [::]:22 [::]:* [root@RS1 ~]# echo "amu" > /var/www/html/index.html
[root@RS1 ~]# curl 127.0.0.1
amu
RS2
// 关闭防火墙和selinux
[root@RS2 ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@RS2 ~]# vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
[root@RS2 ~]# reboot
// 下载httpd服务，添加网页内容
[root@RS2 ~]# yum -y install httpd
[root@RS2 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
[root@RS2 ~]# ss -antl
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:*
LISTEN 0 128 *:80 *:*
LISTEN 0 128 [::]:22 [::]:*
[root@RS2 ~]# echo "gf" > /var/www/html/index.html
[root@RS2 ~]# curl 127.0.0.1
gf
RS1，RS2上配置apr内核参数
RS配置apr内核参数
[root@RS1 ~]# cat /etc/sysctl.conf # 末尾添加两行
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 # 将对应网卡设置为只回应目标IP为自身接口地址的ARP请求
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 设置RIP
[root@RS1 ~]# sysctl -p
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
[root@RS2 ~]# cat /etc/sysctl.conf # 末尾添加两行
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 # 将对应网卡设置为只回应目标IP为自身接口地址的ARP请求
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 # 设置RIP
[root@RS2 ~]# sysctl -p
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
RS1,RS2上配置VIP
// RS1添加临时网卡设立Vip
[root@RS1 ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 dev ens160
[root@RS1 ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:9f:8b:bc brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.91.133/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
valid_lft 1656sec preferred_lft 1656sec
inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens160
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::d7db:4688:7fc5:fbcc/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever
// RS2添加临时网卡设立Vip
[root@RS2 ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 dev ens32
[root@RS2 ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens32: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:5b:3b:74 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.91.135/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens32
valid_lft 958sec preferred_lft 958sec
inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens32
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::29db:511:eca0:9fec/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever
DR 上配置转发规则
DR
[root@DR ~]# ipvsadm -A -t 192.168.91.200:80 -s rr
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -g
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -g
[root@DR ~]# ipvsadm -Sn
-A -t 192.168.91.200:80 -s rr
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -g -w 1
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -g -w 1
[root@DR ~]# ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm
NAT模式
环境说明：
| 主机名 | Dip | Vip | 职责 |
|---|---|---|---|
| DR | 192.168.91.132 | 192.168.58.200 | 调度器 |
| RS1 | 192.168.91.133 | DR网关 | 服务器（RS） |
| RS2 | 192.168.91.135 | DR网关 | 服务器（RS） |
准备工作
DR
//关闭防火墙和selinux
[root@DR ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@DR ~]# vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
[root@DR ~]# setenforce 0
[root@DR ~]# reboot
//添加一个临时网卡作为"Vip"
[root@DR ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 dev ens160
[root@DR ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:cd:a4:aa brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.91.132/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
valid_lft 1572sec preferred_lft 1572sec
inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens160
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::f1de:a72e:4bf:9503/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever
//下载ipvsadm
[root@DR ~]# yum -y install ipvsadm
// 查看DR网关
[root@DR ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=dhcp
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens160
UUID=ff6e1ed4-e92b-413e-804c-480e5ddd7fb3
DEVICE=ens160
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.91.132
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.91.2 //网关
DNS1=114.114.114.114
IPV6_PRIVACY=no
RS1
// 关闭防火墙和selinux
[root@RS1 ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@RS1 ~]# vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
[root@RS1 ~]# reboot
// 下载httpd服务，添加网页内容
[root@RS1 ~]# yum -y install httpd
[root@RS1 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
[root@RS1 ~]# ss -antl
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:*
LISTEN 0 128 *:80 *:*
LISTEN 0 128 [::]:22 [::]:* [root@RS1 ~]# echo "amu hello" > /var/www/html/index.html
[root@RS1 ~]# curl 127.0.0.1
amu hello
RS2
// 关闭防火墙和selinux
[root@RS2 ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@RS2 ~]# vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
[root@RS2 ~]# reboot
// 下载httpd服务，添加网页内容
[root@RS2 ~]# yum -y install httpd
[root@RS2 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
[root@RS2 ~]# ss -antl
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process
LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:*
LISTEN 0 128 *:80 *:*
LISTEN 0 128 [::]:22 [::]:*
[root@RS2 ~]# echo "gf hello" > /var/www/html/index.html
[root@RS2 ~]# curl 127.0.0.1
gf hello
配置RS主机网关
RS1
[root@RS1 ~]# sed -ri 's/^(GATEWAY=).*/\192.168.91.2/' /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
[root@RS1 ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=none
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens160
UUID=37a2c72f-e00b-4c82-b130-867e4b827d54
DEVICE=ens160
ONBOOT=no
IPADDR=192.168.91.133
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.91.2
DNS1=114.114.114.114
IPV6_PRIVACY=no
RS2
[root@RS2 ~]# sed -ri 's/^(GATEWAY=).*/\192.168.91.2/' /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens32
[root@RS2 ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=none
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens32
UUID=324fa695-5716-4706-84ec-6b2777061c43"
DEVICE=ens32
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.91.135
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.91.2
DNS1=114.114.114.114
IPV6_PRIVACY=no
DR上配置转发规则
##DR
[root@DR ~]# vi /etc/sysctl.conf
[root@DR ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
# 配置转发规则
[root@DR ~]# ipvsadm -A -t 192.168.91.200:80 -s rr
[root@DR ~]# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 192.168.91.200:80 rr
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -m
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -m
[root@DR ~]# ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@DR ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm
-A -t 192.168.91.200:80 -s rr
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -m -w 1
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -m -w 1
检测
[root@DR ~]# curl 192.168.91.133
amu hello
[root@DR ~]# curl 192.168.91.135
gf hello