LVS工作原理以及三种工作模式详解

小咪咪 2023-07-07 05:47 69阅读 0赞

负载均衡集群是 load balance 集群的简写，翻译成中文就是负载均衡集群。常用的负载均衡开源软件有nginx、lvs、haproxy，商业的硬件负载均衡设备F5、Netscale。  
深入理解负载均衡:[https://blog.csdn.net/qq\_35887546/article/details/104406412][https_blog.csdn.net_qq_35887546_article_details_104406412]

# 一、负载均衡LVS基本介绍 #

LB集群的架构和原理很简单，就是当用户的请求过来时，会直接分发到Director Server上，然后它把用户的请求根据设置好的调度算法，智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样，需要用到了共享存储，这样保证所有用户请求的数据是一样的。

LVS是 `Linux Virtual Server` 的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网是 `http://www.linuxvirtualserver.org` 现在 LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分。使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。

# 二、LVS的基本工作原理 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1ODg3NTQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70]

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。

下边是三种工作模式的原理和特点总结。

# 五、LVS/NAT原理和特点 #

**1. 重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1ODg3NTQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
(a). 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  
(b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链  
©. 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  
(d). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server  
(e). 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  
(f). 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

**2. LVS-NAT模型的特性**

RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
    
    DIP和RIP必须在同一个网段内
    
    请求和响应报文都需要经过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈
    
    支持端口映射
    
    RS可以使用任意操作系统
    
    缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server

# 六、LVS/DR原理和特点 #

**1.重点将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1ODg3NTQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
(a) 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  
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链  
© 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  
(d) 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。  
(e) 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  
(f) 响应报文最终送达至客户端

**2. LVS-DR模型的特性**

特点1：保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS
    
    RS可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对RIP进行直接访问
    
    RS跟Director Server必须在同一个物理网络中
    
    所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
    
    不支持地址转换，也不支持端口映射
    
    RS可以是大多数常见的操作系统
    
    RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
    
    RS上的lo接口配置VIP的IP地址
    
    缺陷：RS和DS必须在同一机房中

**3. 特点1的解决方案：**

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

存在问题：用户未必有路由操作权限，因为有可能是运营商提供的，所以这个方法未必实用

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。这是由iptables提供的

修改RS上内核参数（arp\_ignore和arp\_announce）将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

# 七、LVS/Tun原理和特点 #

**1.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)**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1ODg3NTQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

(a) 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 。  
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链  
© 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  
(d) 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  
(e) 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  
(f) 响应报文最终送达至客户端

**2.LVS-Tun模型特性**

RIP、VIP、DIP全是公网地址

RS的网关不会也不可能指向DIP

所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server

不支持端口映射

RS的系统必须支持隧道

其实企业中最常用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便。

[https_blog.csdn.net_qq_35887546_article_details_104406412]: https://blog.csdn.net/qq_35887546/article/details/104406412
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