包级别的 TCP/UDP 负载均衡和NAT(Network Address Translate)

作者： Nety                                        

这是什么意思呢？简单来说，如果你有动态IP的连接，一个使用私有IP地址的局域网，通 过NAT (Network Address Translate)上网，现在觉得速度不够，想再加一条使到某一Internet主机的速度加倍（现在中国大陆的典型情况），对不起，你就死了这条心 吧，这是不可能的。

　　这里所说的连接包括 Ethernet，PPPoE,PPPoA，PPP，以及SLIP等等。并且，这是TCP/UDP 协议的内在机制造成的，和软/硬件无关。任何架构在 TCP/UDP 之上的应用，不论硬件还是软件，皆不能绕过此限制。
注意，如果你的局域网使用公用IP（public IP）而不需要NAT，则不在此列。

　　如果你想知道原因或者质疑我的结论:），请继续往下读。

　　本文假设

　 　①、你已经阅读过 Linux Advanced Routing & Traffic Control HOWTO，特别是 4.2 小节的 Routing for multiple uplinks/providers，4.2.1小节Split access 和4.2.2小节 Load balancing。此文（以下按惯例简称lartc）非常清楚的说明了连接级别的TCP/UDP 负载均衡。

　　②、为便 于理解，以下以常见的Linux 下 ADSL PPPoE 拨号上网为例，但如前所述，讨论适用于其它各种情况。用数对(IP address, port)来表示一个连结的端点。假定

　　 　　Host 　　　　IP 　　　　Port
　　 -------------------------------------
　　local host 1 192.168.0.1　　5000
　　Linux route　if1 100.0.0.1　6000
　　Linux route　if2 150.0.0.1　7000
　　remote host　1 200.0.0.1　　80
　　 -------------------------------------

　　那么连接级别和包级别的负载均衡究竟有何不同？

　
1、连结级别的负载均衡

　　Linux 2.4内核支持连结级别的负载均衡。为理解这个问题，这里首先简述 Linux 的静态路由机制。当一部 Linux 主机收到一个需要转发的IP包时，它首先检查Cache中是否有相关的路由信息：如果有的话，会直接使用；否则再查找路由表。Cache中一段时间不使用 的路由信息会被丢弃。如果设置了 MultiPath 路由，则选择哪一个路由是随机的，但随后的IP包都会走这条路由，直到Cache中的路由信息被丢弃。

　　比如，当LAN上的主机 local host 1 向 remote host 1 发起一次连结的时候，Linux router 在Cache中找不到有关remote host 1 的路由信息，因此转去查找路由表，当它发现有一个 MultiPath 路由的时候，会随机选择一个路由，比方说 if1，并把此路由加入Cache；下一个从 local hsot 1到 remote host 1 的 IP 包到达时，Linux router 直接在Cache 中找到路由信息然后直接转发，也就是说，所有目的地为 remote host 1 的 IP 包都会经由 if1 转发直到 Cache 中相关路由信息失效并被丢弃为止而不会经过if2，即使if2完全空闲也是如此。

　　因此，和 remote host 1 之间的通信并不会从附加的第二条连接中获益。其实际效果就是你用 Realplay 看网络电影时效果没有改善，当然心理作用除外

　　如果与此同时 local host 1 有发起一条到 remote host 2 的连接，则有可能这一次会使用 if2。其实际效果就是你用 Realplay 看网络电影时用 flashget开8个并发线程到一个FTP站下载一个 600M Redhat ISO 文件，两者不会互相影响。

　　那么，下载 ISO 文件的同时 localhost 2 发起一条到 remote host 2 的连接，会出现怎样的情况？是简单地走if1？又或别有蹊径？请读者思考。

　　2、包级别的 负载均衡

　　现实中这种一边忙一边无所事事的情况在所多有，毋庸赘述 。那么如何改善呢？很自然的想到，我们可以把同一条TCP/IP连接中的IP包同时从两条上行连接中发出，左右开弓，不就可以了 吗？实际上，我们在 PPP Multilink 就是这么干的，不过现在没有服务器的支持，要靠自己。这是Internet，因此已经有人想到这一点并且编写了内核补丁供下载，请搜索 equalize_2.4.18.patch。

　　需要特别提醒你的是，请确保该补丁的日期是 Fri Mar 22 2002，而不是有问题的 Thu Mar 21 2002 版本。另外，根据我的经验，这个 patch 也可以用于 2.4.19 内核。

　 　重新编译了内核以后，你可以使用 equalize 关键字了。如果你的 LAN 使用公有 IP 地址，那么恭喜你，你现在可以在双倍速度下用 Realplay 看网络电影了。但是正所谓人生不如意事常，如果你使用的是私有 IP 地址配合以NAT上网，让我们来看看当 local host 1 对 remote host 1 发起一次连结时会发生什么。

　　local host 1 第一次从（192.168.0.1，5000）向 remote host 1 (200.0.0.1, 80) 发起一条连接，现在第一个 IP 包 （SYN 包）已经到达 Linux router。既然是第一次，Cache 中当然没有有关路由信息，Linux router 查找路由表，发现带 equalize 标记的 MultiPath 路由，因此随机决定如何转发此IP 包 -- 好，这次茫茫中命里注定从 if2 走 并且雁过留声，在 Cache 中添加一条到 remote host 1 的路由信息-- 既然 local host 1 的 IP 是私有的，NAT 起作用，转换源地址为 (150.0.0.1,7000)后发出，没问题，remote host 1 收到并向 (150.0.0.1,7000) 发回SYN+ACK 包表示接受连结。Linux router if2 收到返回的 SYN+ACK 包，早有准备，NAT 再次转换目的地址为 (192.168.0.1, 5000)。

　　第一回合。到目前为止一切 OK。

　 　紧接着 local host 1 (192.168.0.1, 5000) 按规矩再向 (200.0.0.1, 80) 发送 ACK 包表示确认。此 ACK 包又来到Linux router 这个岔路口，它将走向何方呢？既然设定了 equalize，Linux 不会根据先前生成的路由表 Cache 中的记录（就是由 SYN 包生成的）来决定走法，相反，它从 Cache 中删除该记录，然后重新查找路由表。这导致又一次重新选择路由，可能是 if1，也可能是 if2。

　　如果又是 if2，很好，remote host 1 收到，握手完成，连接建立。

　　若是 if1，又当如何呢？很不幸，if1 将该包源地址经 NAT 转换为 (100.0.0.1,6000)，然后丢上 Internet，一路平安到达 remote host 1。remote host 1 正在苦等从 if2 (也就是 150.0.0.1,7000) 来的 ACK 包，没想却收到一个从(100.0.0.1,6000) 来的 ACK 包，它作何打算呢？难道说，反正是 ACK 包，马马虎虎将就着用用吗？很明显，这不是个好主意。其次，即便意欲如此，remote host 1 如何判断这个 ACK 包和哪一个 SYN 包关联呢？因此，唯一合理的措施就是：忽略它，当没看见好了。

　　丢弃此来路不明的 ACK 包后，remote host 1 继续等待中......结果可想而知：不能同步，连结建立失败。这里 TCP/IP 的重传机制并不能解决问题，remote host 1 并不认为这是一个正常的 TCP 包，虽然它是一个正常的 IP 包。
刚才提到如果走的是 if2，非常幸运，连接可以建立。同样，以后 remote host 1 会收到所有数据包，不论是从 if1还是 if2 来的，只是从 if1 来的 TCP 包一概按例办理，全部丢弃。好在local host 1 会重传这些被丢弃的包，总有机会走到 if2 而被收到，因此连结还可以勉强维持，只是比较慢而已；当然，在某种极端情况下，也可能中途断掉。

　　所以，equalize 负载均衡和 NAT 在一起工作，可能会导致建立连结失败或者较缓慢的连结。换句话说，1+1 < 1。

　　最后有一个好消息， 不是大好，是小好：ICMP 协议在此种情况下可以工作,也许你可以试着用它干点什么。当然这也意味着一个使用动态IP对你发动 ICMP 攻击的黑客有双倍的可用带宽

　　注1：2.4内核中 MultiPath 设定的具体的位置在 Networking options -> TCP/IP networking -> IP: advanced router -> IP: equal cost multipath，.config 文件中的对应行为 CONFIG_IP_ROUTE_MULTIPATH

　　注 2：iproute2 的手册明确指出，仅当内核打过补丁的情况下 equalize 关键字才能工作，原文"equalize only works if the kernel is patched." iproute2-ss010824, p26.

　　注3：本文所说的随机并 不是真正意义的随机，但我们假定考察真正随机的情况。

　　注4：对于如何处理所谓"来路不明的 ACK 包"，可能是实现相关的，还请了解的朋友说一说。

　　附录A

　　关于 lartc 中 split access 和 load-balancing 设置的一点说明：

　　在 load-balancing 小节中提到"如果你已经如前所述设置了 split access 的话 load-balancing 真的不是太难"。而在 split access 小节中就给出了一堆命令，T1 T2 P1 P2 IF1 IF2 什么的。很多人不明白这些命令到底有何作用。其实这些命令是说，到 P1_NET 去的走 if1，到 P2_NET 去的走 if2，大家各行其道。那么，我到 P1_NET 去的走if2，到 P2_NET 去的走 if1，可不可以呢？理论上也是可以的，但是这里有个问题。如果 P1_NET 和 P2_NET 分属两家不同的 ISP，则从 if2 到 P1_NET 就要走远路经过交换中心，而这可能会造成瓶颈。

　　于从 P1_NET 和 P2_NET 回来的包，已经超出了我们的控制范围，只能等它到 IF1或 IF2。如果出于某种原因路由不正常，没有收到回音，那我们能做的也只是承认失败而已。

　 　因此这段命令想要防止舍近求远，如此而已。

　　外这段命令似乎有点问题。我已经在lartc邮件列表中请求帮助了，希望能尽快有一个 满意的答复。

　　在搞清楚这一点后，如果读者的 P1_NET 和 P2_NET 和我一样其实是同一家 ISP 的网络，这段准备功夫是完全可以省去的。