负载均衡LVS_DR模式详解
1.前言
【1】LVS特点：
LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。本项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。可伸缩网络服务的几种结构，它们都需要一个前端的负载调度器（或者多个进行主从备份）。我们先分析实现虚拟网络服务的主要技术，指出IP负载均衡技术是在负载调度器的实现技术中效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中，主要有通过网络地址转换（Network Address Translation）将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器，我们称之为VS/NAT技术（Virtual Server via Network Address Translation）。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上，我们提出了通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN （Virtual Server via IP Tunneling），和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR（Virtual Server via Direct Routing），它们可以极大地提高系统的伸缩性。VS/NAT、VS/TUN和VS/DR技术是LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术。
【2】技术简介
LVS集群采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且调度器自动屏蔽掉服务器的故障，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。整个服务器集群的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。为此，在设计时需要考虑系统的透明性、可伸缩性、高可用性和易管理性。
一般来说，LVS集群采用三层结构，其主要组成部分为：
A、负载调度器（load balancer），它是整个集群对外面的前端机，负责将客户的请求发送到一组服务器上执行，而客户认为服务是来自一个IP地址（我们可称之为虚拟IP地址）上的。
B、服务器池（server pool），是一组真正执行客户请求的服务器，执行的服务有WEB、MAIL、FTP和DNS等。
C、共享存储（shared storage），它为服务器池提供一个共享的存储区，这样很容易使得服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务。
2. LVS_DR 模式架构图
说明： 图中展示的是最简单的 LVS DR 模式架构，也是这篇博客的实验环境。
3. arp 基础知识
为什么要先了解arp 的知识呢？因为，在lvs_dr 负载均衡模式中，realserver 和 lvs 调度器都配置了vip。客户端需要和 lvs 的 vip 通信，所以，就要抑制realserver 对vip 的mac 地址的请求。具体会涉及到 arp_ignore 和 arp_announce 两个参数的设置。注意在文章的后半段，我会再详细讲一下。
什么是arp广播？通俗讲，就是在网络中，根据ip地址找mac地址的协议，即ARP 协议。
3.1 举一个例子：
主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；
主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；
当主机A要与主机B通信时：
第1步：根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。
第2步：如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。
第3步：主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。
第4步：主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。
第5步：当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。
4. 准备工作——服务器ip分配
4.1 lvs
eth0: 192.168.188.108
eth0:2 192.168.188.120 (vip)
mac: 00:0c:29:50:d5:63
4.2 realeserver
第一台（cenvm71）：
eno16777736 : 192.168.188.107
mac : 00:0c:29:e4:4d:1f
lo:0 192.168.188.120 (vip)
第二台（cenvm72）：
eth0: 192.168.188.110
mac: 00:0c:29:2c:a5:a0
lo:0 192.168.188.120 (vip)
4.3 在两台 rs 主机安装nginx
yum install -y nginx
安装完nginx 服务后，最好将nginx 的默认html 文件修改一下输出内容，让它们能够区分就可以了。
5. 环境搭建过程
5.1 DR 安装ipvsadm 和配置 lvs_dr.sh 文件
安装ipvsadm 软件：
yum install -y ipvsadm
配置文件：
[root 18:40:39 @CentOS3 sbin] cat /usr/local/sbin/lvs_dr.sh
#! /bin/bash
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
ipv=/sbin/ipvsadm
vip=192.168.188.120
rs1=192.168.188.107
rs2=192.168.188.110
#注意这里的网卡名字
ifdown eth0
ifup eth0
ifconfig eth0:2 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip dev eth0:2
$ipv -C
$ipv -A -t $vip:80 -s wrr
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 1
$ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1
5.2 realeserver 配置 lvs_rs.sh 文件
[root@cenvm72 network-scripts]# cat /usr/local/sbin/lvs_rs.sh
#/bin/bash
vip=192.168.188.120
#把vip绑定在lo上，是为了实现rs直接把结果返回给客户端
ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up
route add -host $vip lo:0
#以下操作为更改arp内核参数，目的是为了让rs顺利发送mac地址给客户端
#参考文档www.cnblogs.com/lgfeng/archive/2012/10/16/2726308.html
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
两台realeserver 主机的 lvs_rs.sh 配置文件都一样
6. 实验过程
6.1 启动 lvs
现在 rs1 和 rs2 上运行 lvs_rs.sh 脚本，启动nginx服务
/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_rs.sh
systemctl start nginx然后，在 lvs 上运行lvs_dr.sh 脚本，启动nginx
/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh
systemctl start nginx
在 lvs 查看：
[root 18:58:10 @CentOS3 sbin] ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 192.168.188.120:80 wrr
-> 192.168.188.107:80 Route 1 0 0
-> 192.168.188.110:80 Route 1 0 0 说明lvs 功能已经启动
6.2 lvs dr 模式请求过程
整个请求过程如下：
client在发起请求之前，会发一个arp广播的包，在网络中找“谁是vip”，由于所有的服务器，lvs和rs都有vip，为了让client的请求送到lvs上，所以必须让rs不能响应client发出的arp请求，（这也是为什么要禁止rs上arp的请求和响应）下面就是lvs转发的事情了：
- client向目标vip发送请求，lvs接收；此时ip包和数据信息如下：
| src mac | dst mac | src ip | dst ip |
|---|---|---|---|
| 00:0c:29:f3:1f:de | 00:0c:29:50:d5:63 | 192.168.188.111 | 192.168.188.120 |
- lvs根据负载均衡的算法，选择一台realserver，然后把realserver1的mac地址作为目的mac地址，发送到局域网中
| src mac | dst mac | src ip | dst ip |
|---|---|---|---|
| 00:0c:29:50:d5:63 | 00:0c:29:e4:4d:1f | 192.168.188.111 | 192.168.188.120 |
3 . realserver1在局域网中收到这个请求以后，发现目的ip和本地匹配，于是进行处理，处理完成以后，直接把源ip和目的ip直接对调，然后经过网关直接返回给用户；
| src mac | dst mac | src ip | dst ip |
|---|---|---|---|
| 00:0c:29:e4:4d:1f | 00:0c:29:f3:1f:de | 192.168.188.120 | 192.168.188.111 |
6.3 抓包分析验证
- lvs 转发到 realeserver
从抓包中可以看到，客户端发送请求给 lvs，lvs 马上就会将请求转发给后端的 rs2 (mac 地址： 00:0c:29:2c:a5:a0)；
realserver 直接会应客户端数据
从抓到的数据包分析，rs2 处理请求后，直接就把数据发回给客户端了。源ip 是 vip，目标ip 是客户端的ip。
7. 重要的补充，关于arp 抑制
lvs dr 模式中，lvs 和 rs 处于同一个网络中，而且他们都配置相同的 vip。所以，当客户端要向vip 发送网络请求的时候，它会先在整个网络广播一条 arp 请求，询问 vip 对应的mac 地址是什么。arp 广播有可能被lvs 响应，也有可能被realeserver 响应。如果这条请求 vip 的广播被realeserver 服务器响应了，那么客户端的 arp 缓存表就记录了vip 的mac 地址是realserver 的了。这样会导致客户端直接可以将数据请求发送到realserser ，lvs 的负载均衡作用就完全失效，其他的realserver 服务器也不会被请求。
由于存在以上的问题，lvs dr 模式的架构中，需要将realserver 的arp 协议响应和宣告功能进行限制。具体来说就是在 rs 里的 lvs_rs.sh 配置脚本的以下几条操作：
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce备注说明：
7.1 arp_ignore =1
作用就是，限制rs 对arp 广播的响应。当 arp 请求的目的 ip 是本机的网络入口设备的ip 时才响应。所以，当arp_ignore设为1后，rs 对网络中询问vip 的 arp 广播包都不再响应。因为rs 的vip 设置在lo:0 虚拟网卡上，不是rs这台机器的网络流入设备。
7.2 arp_announce = 2
作用就是，限制rs 在对外宣告arp 广播时所使用的源ip 地址。因为，rs 要直接返回客户的请求数据。我们从本文的第6节抓包分析里，就知道rs 需要知道客户机的mac地址，数据包才能发送到网络中，且能准确找到客户机的网卡。
rs 在广播arp 请求时，默认如果arp_announce=0时，发出请求的ip是什么，arp 请求里的源ip就应该是什么。即如果arp_announce=0，那么rs 的arp 广播的源ip 就会是vip。当rs 发出这个源ip是vip ，源mac地址是 eth0 的请求包后，客户机就会更新自己的arp 缓存表里vip 的mac 地址，这样之前记录的lvs 的mac 地址就失效了。
所以，需要将 arp_announce设置为2。这样，rs 发出arp 广播请求查询客户机的mac地址时，它的arp 报文里使用的源ip 就会选择出口设备，也就是eth0 的mac 地址。当客户机收到rs 的这个arp 请求时，就会回应自己mac 地址。这样，客户机也不会更新自己arp 缓存表里的vip 的mac地址。
arp 协议有一个特点，它不会记住自己询问过的ip地址和mac主机。所以，当有接收到新的arp广播请求，如果发现有新的mac 地址，他就会更新。而不会验证发送方是不是自己曾经询问过的ip 。这个缺陷也引起了arp ***，就是我们常说的arp 欺骗。有些中间代理机器，不断地发arp 请求，让你的机器arp 缓存表里的mac 地址混乱。
8. 总结
在lvs dr 模式中通过抓包理解请求发送的流转方向，清晰地理解为什么lvs 调度器不会成为网络性能的瓶颈，在理解arp 抑制时理解arp_ignore 和 arp_announce 两个参数的作用最为重要。