企业系统架构——LB集群之LVS负载均衡介绍（3种工作模式）

一、LVS负载均衡
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(Director)、server 集群层(Real server)和共享存储。
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1、LVS概念

LVS ：Linux Virtual Server 的简称，即Linux虚拟服务器。 现在LVS已经被集成到 Linux内核模块中。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，其体系结构是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，调度器根据自己预设的算法决定将该请求发送给后端的某台Web服务器。比如轮询算法可以将外部的请求平均分发给后端的所有服务器，终端用户访问LVS调度器虽然会被转发到后端真实的服务器，但如果真实服务器连接的是相同的存储，提供的服务也是相同的服务，最终用户不管是访问哪台真实服务器，得到的服务内容都是一样的，整个集群对用户而言都是透明的。最后根据LVS工作模式的不同，真实服务器会选择不同的方式将用户需要的数据发送到终端用户，LVS工作模式分为NAT模式、TUN模式、以及DR模式。

2、LVS的相关术语

DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
VIP：(virtual ip)为虚拟 IP，向外部直接面向用户请求，作为用户请求的 目标IP地址。用在 TUN 和 DR 模式中，需要同时配置在分发器和后端真实服务器上。
DIP：Director Server IP，为分发器的 IP，NAT 模式下它必须为公网 IP，要对外服务。
RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。在 TUN 和DR 模式中，RIP 为公网 IP。
CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

3、lvs附着于netfiler
netfilter是由Rusty Russell提出的Linux 2.4内核防火墙框架，该框架既简洁又灵活，可实现安全策略应用中的许多功能，如数据包过滤、数据包处理、地址伪装、透明代理、动态网络地址转换（Network Address Translation，NAT），以及基于用户及媒体访问控制（Media Access Control，MAC）地址的过滤和基于状态的过滤、包速率限制等。

netfilter提供了一个抽象、通用化的框架，作为中间件，为每种网络协议（IPv4、IPv6等）定义一套钩子函数。Ipv4定义了5个钩子函数，这些钩子函数在数据报流过协议栈的5个关键点被调用，也就是说，IPv4协议栈上定义了5个“允许垂钓点”。在每一个“垂钓点”，都可以让netfilter放置一个“鱼钩”，把经过的网络包（Packet）钓上来，与相应的规则链进行比较，并根据审查的结果，决定包的下一步命运，即是被原封不动地放回IPv4协议栈，继续向上层递交；还是经过一些修改，再放回网络；或者干脆丢弃掉。

neitfiler链：

PREROUTING ---> INPUT（流向内部)
PREROUTING----> FORWARD ---> POSTROUTING(转发)
OUTPUT---> POSTROUTING(流向外部)

netfiler在lvs中的应用：

lvs工作于INPUT：
PREROUTING —> INPUT(lvs在此强行改变数据流向)—>POSTROUTING

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
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
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
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

lvs是由两部份组成的

ipvs(ip virrual server):一段代码(工作在内核中的netfilter input钩子函数上)是真正生效实现调度的代码
ipvsadm（工作在用户空间，负责为ipvs内核框架编写规则，用于管理集群服务）

二、LVS三种工作模式
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（1）NAT（调度器将请求的目标 ip 即 vip 地址改为 Real server 的 ip, 返回的数据包也经过调度器，调度器再把源地址修改为 vip）。

NAT模式-网络地址转换

Virtualserver via Network address translation(VS/NAT)

这个是通过网络地址转换的方法来实现调度的。首先调度器(LB)接收到客户的请求数据包时（请求的目的IP为VIP），根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后调度就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）,这样真实服务器（RS）就能够接收到客户的请求数据包了。真实服务器响应完请求后，查看默认路由（NAT模式下我们需要把RS的默认路由设置为LB服务器。）把响应后的数据包发送给LB,LB再接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端。
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原理图简述：

1)客户端请求数据，目标IP为VIP

2)请求数据到达LB服务器，LB根据调度算法将目的地址修改为RIP地址及对应端口（此RIP地址是根据调度算法得出的。）并在连接HASH表中记录下这个连接。

3)数据包从LB服务器到达RS服务器webserver，然后webserver进行响应。Webserver的网关必须是LB，然后将数据返回给LB服务器。

4)收到RS的返回后的数据，根据连接HASH表修改源地址VIP&目标地址CIP，及对应端口80.然后数据就从LB出发到达客户端。

5)客户端收到的就只能看到VIP\DIP信息。

用netfiler方式解释原理：

1). 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。

2). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。

3). 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。

4). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server。

5). 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。

6). 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。

NAT模式优缺点：

1、NAT技术将请求的报文和响应的报文都需要通过LB进行地址改写，因此网站访问量比较大的时候LB负载均衡调度器有比较大的瓶颈，一般要求最多之能10-20台节点

2、只需要在LB上配置一个公网IP地址就可以了。

3、每台内部的节点服务器的网关地址必须是调度器LB的内网地址。

4、NAT模式支持对IP地址和端口进行转换。即用户请求的端口和真实服务器的端口可以不一致。
（2）TUN （调度器将请求来的数据包封装加密通过 ip 隧道转发到后端的 real server 上，而 real server 会直接把数据返回给客户端，而不再经过调度器）。

TUN模式

virtual server via ip tunneling模式:采用NAT模式时，由于请求和响应的报文必须通过调度器地址重写，当客户请求越来越多时，调度器处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题，调度器把请求的报文通过IP隧道转发到真实的服务器。真实的服务器将响应处理后的数据直接返回给客户端。这样调度器就只处理请求入站报文，由于一般网络服务应答数据比请求报文大很多，采用VS/TUN模式后，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。

VS/TUN的工作流程图如下所示，它和NAT模式不同的是，它在LB和RS之间的传输不用改写IP地址。而是把客户请求包封装在一个IP tunnel里面，然后发送给RS节点服务器，节点服务器接收到之后解开IP tunnel后，进行响应处理。并且直接把包通过自己的外网地址发送给客户不用经过LB服务器。

Tunnel原理流程图:
原理图过程简述：

1）客户请求数据包，目标地址VIP发送到LB上。

2）LB接收到客户请求包，进行IP Tunnel封装。即在原有的包头加上IP Tunnel的包头。然后发送出去。

3）RS节点服务器根据IP Tunnel包头信息（此时就又一种逻辑上的隐形隧道，只有LB和RS之间懂）收到请求包，然后解开IP Tunnel包头信息，得到客户的请求包并进行响应处理。

4）响应处理完毕之后，RS服务器使用自己的出公网的线路，将这个响应数据包发送给客户端。源IP地址还是VIP地址。

用netfiler工作方式解释原理：

1)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 。

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。
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。
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。
响应报文最终送达至客户端。

（3）DR（调度器将请求来的数据包的目标 mac 地址改为 real server 的 mac 地址，返回的时候也不经过调度器，直接返回给客户端）。

DR模式（直接路由模式）

Virtual server via direct routing (vs/dr)

DR模式是通过改写请求报文的目标MAC地址，将请求发给真实服务器的，而真实服务器响应后的处理结果直接返回给客户端用户。同TUN模式一样，DR模式可以极大的提高集群系统的伸缩性。而且DR模式没有IP隧道的开销，对集群中的真实服务器也没有必要必须支持IP隧道协议的要求。但是要求调度器LB与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上，必须在同一个局域网环境。

DR模式是互联网使用比较多的一种模式。

DR模式原理图：
DR模式原理过程简述：

VS/DR模式的工作流程图如上图所示，它的连接调度和管理与NAT和TUN中的一样，它的报文转发方法和前两种不同。DR模式将报文直接路由给目标真实服务器。在DR模式中，调度器根据各个真实服务器的负载情况，连接数多少等，动态地选择一台服务器，不修改目标IP地址和目标端口，也不封装IP报文，而是将请求报文的数据帧的目标MAC地址改为真实服务器的MAC地址。然后再将修改的数据帧在服务器组的局域网上发送。因为数据帧的MAC地址是真实服务器的MAC地址，并且又在同一个局域网。那么根据局域网的通讯原理，真实服务器是一定能够收到由LB发出的数据包。真实服务器接收到请求数据包的时候，解开IP包头查看到的目标IP是VIP。（此时只有自己的IP符合目标IP才会接收进来，所以我们需要在本地的回环借口上面配置VIP。另：由于网络接口都会进行ARP广播响应，但集群的其他机器都有这个VIP的lo接口，都响应就会冲突。所以我们需要把真实服务器的lo接口的ARP响应关闭掉。）然后真实服务器做成请求响应，之后根据自己的路由信息将这个响应数据包发送回给客户，并且源IP地址还是VIP。