linux系统lvs负载均衡和四种工作模式

LVS负载均衡

LVS 优势与不足

优势

高并发连接：LVS基于内核网络层面工作，有超强的承载能力和并发处理能力。单台LVS负载均衡器，可支持上万并发连接。

**稳定性强：**是工作在网络4层之上仅作分发之用，这个特点也决定了它在负载均衡软件里的性能最强，稳定性最好，对内存和cpu资源消耗极低。

**成本低廉：**硬件负载均衡器少则十几万，多则几十万上百万，LVS只需一台服务器和就能免费部署使用，性价比极高。

**配置简单：**LVS配置非常简单，仅需几行命令即可完成配置，也可写成脚本进行管理。

**支持多种算法：**支持多种论调算法，可根据业务场景灵活调配进行使用

**支持多种工作模型：**可根据业务场景，使用不同的工作模式来解决生产环境请求处理问题。

应用范围广：因为LVS工作在4层，所以它几乎可以对所有应用做负载均衡，包括http、数据库、DNS、ftp服务等等

不足

工作在4层，不支持7层规则修改，机制过于庞大，不适合小规模应用。

LVS 核心组件和专业术语

核心组件

LVS的管理工具和内核模块 ipvsadm/ipvs

ipvsadm：用户空间的命令行工具，用于管理集群服务及集群服务上的RS等

ipvs：工作于内核上的程序，可根据用户定义的集群实现请求转发

专业术语

VS：Virtual Server             #虚拟服务
Director, Balancer            #负载均衡器、分发器
RS：Real Server                #后端请求处理服务器 
CIP: Client IP                #用户端IP
VIP：Director Virtual IP       #负载均衡器虚拟IP
DIP：Director IP               #负载均衡器IP
RIP：Real Server IP            #后端请求处理服务器IP

LVS负载均衡四种工作模式

LVS/NAT：网络地址转换模式，进站/出站的数据流量经过分发器(IP负载均衡，他修改的是IP地址)  --利用三层功能
LVS/DR：直接路由模式，只有进站的数据流量经过分发器(数据链路层负载均衡，因为他修改的是目的mac地址)--利用二层功能mac地址
LVS/TUN：隧道模式，只有进站的数据流量经过分发器
LVS/full-nat:双向转换:通过请求报文的源地址为DIP，目标为RIP来实现转发：对于响应报文而言，修改源地址为VIP，目标地址为CIP来实现转发

NAT模式

原理：就是把客户端发来的数据包的IP头的目的地址，在负载均衡器上换成其中一台RS的IP地址，并发至此RS来处理,RS处理完成后把数据交给经过负载均衡器,负载均衡器再把数据包的源IP地址改为自己的IP，将目的地址改为客户端IP地址即可｡期间,无论是进来的流量,还是出去的流量,都必须经过负载均衡器｡

优点：集群中的物理服务器可以使用任何支持TCP/IP操作系统，只有负载均衡器需要一个合法的IP地址。

缺点：扩展性有限。当服务器节点（普通PC服务器）增长过多时,负载均衡器将成为整个系统的瓶颈，因为所有的请求包和应答包的流向都经过负载均衡器。当服务器节点过多时，大量的数据包都交汇在负载均衡器那，速度就会变慢

# 配置后台服务器
yum install nginx -y
echo web1 > /usr/share/nginx/html/index.html
systemctl start nginx
ip route add default via [ip]      # 配置下一跳默认路由，rs主机配置lvs-server端仅主机ip

route -n   查看目前路由表
routef     清除所有网关项的路由表

#配置lvs-server开启路由转发
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
sysctl -p								//确保打开路由转发

yum install ipvsadm -y                  //下载ipvsadm工具

ipvsadm -A -t 公网ip:80 -s rr     //转发访问到rs主机的ip

设置后端服务器：
ipvsadm -a -t 公网ip:80 -r 后端仅主机ip -m
ipvsadm -a -t 公网ip:80 -r 后端仅主机ip -m


查看ipvsadm规则：ipvsadm -Ln

浏览器访问公网ip

ab -c 1000 -n 1000 http://公网ip/               //压力测试工具访问公网ip

DR模式

原理：负载均衡器和RS都使用同一个IP对外服务｡但只有DR对ARP请求进行响应,所有RS对本身这个IP的ARP请求保持静默｡也就是说,网关会把对这个服务IP的请求全部定向给DR,而DR收到数据包后根据调度算法,找出对应的RS,把目的MAC地址改为RS的MAC（因为IP一致）并将请求分发给这台RS｡这时RS收到这个数据包,处理完成之后，由于IP一致，可以直接将数据返给客户，则等于直接从客户端收到这个数据包无异,处理后直接返回给客户端｡

优点：和TUN（隧道模式）一样，负载均衡器也只是分发请求，应答包通过单独的路由方法返回给客户端。与VS-TUN相比，VS-DR这种实现方式不需要隧道结构，因此可以使用大多数操作系统做为物理服务器。

缺点：（不能说缺点，只能说是不足）要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上。

Director分发器配置

DR服务器配置
配置VIP
ip addr add dev ens33 ip/子网掩码                  //添加新的一个ip设置VIP
ip addr del ip/子网掩码 dev ens33                  //如果添加ip错了，用这个删除ip
yum install -y ipvsadm                            //RHEL确保LoadBalancer仓库可用

定义LVS分发策略
ipvsadm -C  #清除内核虚拟服务器表中的所有记录。

ipvsadm -A -t 新添加ip:80 -s rr 
ipvsadm -a -t 新添加ip:80 -r 后台服务器ip:80 -g 
ipvsadm -a -t 新添加ip:80 -r 后台服务器ip:80 -g  

ipvsadm -ln


所有后端服务器配置
yum install -y nginx

echo "real-server1" >> /usr/share/nginx/html/index.html

ip addr add dev lo DR服务器新加的ip/32               #在lo接口上绑定VIP
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore    #忽略arp广播
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce  #匹配精确ip地址回包
systemctl start nginx                              #启动nginx
systemctl enable  nginx                            #设置开启自启


其他服务器访问DR服务器新加的ip，查看负载均衡效果

Tun隧道模式

原理：互联网上的大多Internet服务的请求包很短小，而应答包通常很大。那么隧道模式就是，把客户端发来的数据包，封装一个新的IP头标记(仅目的IP)发给RS,RS收到后,先把数据包的头解开,还原数据包,处理后,直接返回给客户端,不需要再经过负载均衡器｡注意,由于RS需要对负载均衡器发过来的数据包进行还原,所以说必须支持IPTUNNEL协议｡所以,在RS的内核中,必须编译支持IPTUNNEL这个选项

优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，就能处理很巨大的请求量，这种方式，一台负载均衡器能够为很多RS进行分发。而且跑在公网上就能进行不同地域的分发。

缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持”IP Tunneling”(IP Encapsulation)协议，服务器可能只局限在部分Linux系统上。

FULL-NAT模式

原理：客户端对VIP发起请求，Director接过请求发现是请求后端服务。Direcrot对请求报文做full-nat，把源ip改为Dip，把目标ip转换为任意后端RS的rip，然后发往后端，rs接到请求后，进行响应，相应源ip为Rip目标ip还是DIP，又内部路由路由到Director,Director接到响应报文，进行full-nat。将源地址为VIP，目标地址改为CIP

四者的区别

lvs-nat与lvs-fullnat：请求和响应报文都经由Director
lvs-nat：RIP的网关要指向DIP
lvs-fullnat：RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信
  　　 

lvs-dr与lvs-tun：请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
lvs-tun：通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信