LVS負載均衡之LVS-NAT與LVS-DR模式原理詳解
一、負載均衡LVS基本介紹
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LVS是 Linux Virtual Server 的簡稱，也就是Linux虛擬伺服器。這是一個由章文嵩博士發起的一個開源專案，它的官方網站是 ofollow,noindex" target="_blank">http://www.linuxvirtualserver.org 。
- LVS是Linux核心標準的一部分。LVS是一個實現負載均衡叢集的開源軟體專案，通過 LVS 的負載均衡技術和 Linux作業系統可以實現一個高效能高可用的 Linux 伺服器叢集，它具有良好的可靠性、可擴充套件性和可操作性。
- LVS架構從邏輯上可分為排程層、Server叢集層和共享儲存。LVS實際上相當於基於IP地址的虛擬化應用。
二、LVS的組成
LVS 由2部分程式組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。
- ipvs(ip virtual server)：工作在核心空間，是真正生效實現排程的程式碼。
- ipvsadm：工作在使用者空間，負責為ipvs核心框架編寫規則，定義誰是叢集服務，而誰是後端真實的伺服器(Real Server)
三、LVS相關術語
- DS：Director Server, 指的是前端負載均衡器節點。
- RS：Real Server, 後端真實的工作伺服器。
- VIP：向外部直接面向用戶請求，作為使用者請求的目標的IP地址。
- DIP：Director Server IP, 前端負載均衡器IP地址，主要用於和內部主機通訊。
- RIP：Real Server IP, 後端伺服器的IP地址。
- CIP：Client IP, 訪問客戶端的IP地址
四、LVS的工作模式介紹
LVS負載均衡常見的有三種工作模式，分別是地址轉換（簡稱NAT模式）、IP隧道（簡稱TUN模式）和直接路由（簡稱DR模式），其實企業中最常用的是 DR 實現方式，而 NAT 配置上比較簡單和方便，下面總結 DR 和 NAT 原理和特點：
1. LVS-NAT模式
(1) LVS-NAT原理
類似於防火牆的私有網路結構，Director Server作為所有伺服器節點的閘道器，，即作為客戶端的訪問入口，也是各節點回應客戶端的訪問出口，其外網地址作為整個群集的VIP地址，其內網地址與後端伺服器Real Server在同一個物理網路，Real Server必須使用私有IP地址。
資料包流向分析
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使用者傳送請求到Director Server,請求的資料報文（源IP是CIP,目標IP是VIP）到達核心空間。
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核心空間判斷資料包的目標IP是本機，此時IPVS比對資料包請求的服務是否為叢集服務，若是，修改資料包的目標IP地址為後端伺服器IP，重新封裝資料包（源IP為CIP，目標IP為RIP），然後選路將資料包傳送給Real Server。
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Real Server比對發現目標IP是本機的IP，重新封裝報文（源IP為RIP，目標IP為CIP）發回給Director Server。
- Director Server重新封裝資料包，將源IP地址修改為自己的VIP地址，然後響應給客戶端。 此時報文的源IP為VIP，目標IP為CIP。
(2) LVS-NAT模型的特點
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RS必須使用私有IP地址，閘道器指向DIP。
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DIP與RIP必須在同一網段內。
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DS作為所有伺服器節點的閘道器，也就是說請求和響應報文都需要經過Director Server。
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支援埠對映
- 高負載場景中，Director Server壓力比較大，易成為效能瓶頸。
2. LVS-DR模式
(1) LVS-DR原理
Director Server作為群集的訪問入口，但不作為閘道器使用，後端伺服器池中的Real Server與Director Server在同一個物理網路中，傳送給客戶機的資料包不需要經過Director Server。為了響應對整個群集的訪問，DS與RS都需要配置有VIP地址。
資料包流向分析
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使用者傳送請求到Director Server,請求的資料報文（源IP是CIP,目標IP是VIP）到達核心空間。
- 由於DS和RS在同一個網路中，所以是通過二層資料鏈路層來傳輸。
- 核心空間判斷資料包的目標IP是本機IP，此時IPVS比對資料包請求的服務是否為叢集服務，若是，重新封裝資料包，修改源MAC地址為DIP的MAC地址，目標MAC地址為RIP的MAC地址，源IP地址與目標IP地址沒有改變，然後將資料包傳送給Real Server.
- RS發現請求報文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此報文，重新封裝報文(源IP地址為VIP，目標IP為CIP),將響應報文通過lo介面傳送給eth0網絡卡然後向外發出。
- RS直接將響應報文傳送到客戶端。
(2) LVS-DR模型的特點
- RS和DS必須在同一個物理網路中。
- RS可以使用私有地址，也可以使用公網地址，如果使用公網地址，可以通過網際網路對RIP進行直接訪問。
- 所有的請求報文經由Director。 Server，但響應報文必須不能經過Director Server。
- RS的閘道器絕不允許指向DIP(不允許資料包經過director)。
- RS上的lo介面配置VIP的IP地址。
LVS-DR模式需要注意的是：
保證前端路由將目標地址為VIP報文統統發給Director Server，而不是RS。
解決方案是：修改RS上核心引數（arp_ignore和arp_announce）將RS上的VIP配置在lo介面的別名上，並限制其不能響應對VIP地址解析請求。
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arp_ignore=1表示系統只響應目的IP為本地IP的ARP請求。
- arp_announce=2表示系統不使用IP包的源地址來設定ARP請求的源地址，而選擇傳送介面的IP地址。
五、LVS的負載排程演算法
最常用的有四種；輪詢（rr）、加權輪詢(wrr)、最少連線(lc)和加權最少連線(wlc)。
- 輪詢（rr）：將收到的訪問請求按照順序輪流排程到不同的伺服器上，不管後端真實伺服器的實際連線數和系統負載。
- 加權輪詢（wrr）：給RS設定權重，權重越高，那麼分發的請求數越多，權重的取值範圍0–100。根據每臺伺服器的效能，給每臺伺服器新增權值，如果RS1的權值為1，RS2的權值為2，那麼排程到RS2的請求會是RS1的2倍。權值越高的伺服器，處理的請求越多。這種演算法是對rr演算法的一種優化和補充。
- 最少連線（lc）：根據後端RS的連線數來決定把請求分發給誰，比RS1連線數比RS2連線數少，那麼請求就優先發給RS1。
- 加權最少連線（wlc）:根據後端RS的權重和連線數來決定把請求分發給誰，權重較高，連線數少的RS會優先處理請求。
六、LVS的共享儲存伺服器
為後端真實伺服器提供穩定、一致的檔案存取服務，在Linux/Unix環境中，共享儲存可以使用NAS裝置或者提供NFS（網路檔案系統）共享服務的專用伺服器。一般放在私有網路中。
LVS的NAT模式案例部署詳細請看 LVS負載均衡之LVS-NAT搭建Web群集
LVS的DR模式案例部署詳細請看 LVS負載均衡之LVS-DR搭建Web群集與LVS結合Keepalived搭建高可用Web群集
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