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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。这里主要是学习 LVS 并对其进行了详细的总结记录。
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
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。其中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； 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工作模式及原理
4.1 LVS/NAT原理和特点
(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 (c). 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其特性主要有：
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RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
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DIP和RIP必须在同一个网段内
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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
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支持端口映射
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RS可以使用任意操作系统
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缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server
4.2 LVS/DR原理和特点
(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 (c) 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其特性主要有：
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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
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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
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RS跟Director Server必须在同一个物理网络中
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所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
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不支持地址转换，也不支持端口映射
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RS可以是大多数常见的操作系统
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RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
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RS上的lo接口配置VIP的IP地址
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缺陷：RS和DS必须在同一机房中
3. 特点1的解决方案：
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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
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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
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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
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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。
4.3 LVS/Tun原理和特点
(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 (c) 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其特性有：
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RIP、VIP、DIP全是公网地址
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RS的网关不会也不可能指向DIP
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所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
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不支持端口映射
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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，后边实践中会总结 DR 和 NAT 具体使用配置过程。
五、实践LVS的NAT模式
1、实验环境
三台服务器，一台作为 director，两台作为 real server，director 有一个外网网卡(172.16.254.200) 和一个内网ip(192.168.0.8)，两个 real server 上只有内网 ip (192.168.0.18) 和 (192.168.0.28)，并且需要把两个 real server 的内网网关设置为 director 的内网 ip(192.168.0.8)
2、安装和配置
两个 real server 上都安装 nginx 服务# yum install -y nginxDirector 上安装 ipvsadm# yum install -y ipvsadm
nat实现脚本，运行脚本即可：
# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh# 编辑写入如下内容：#! /bin/bash# director服务器上开启路由转发功能:echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward# 关闭 icmp 的重定向echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirectsecho 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirectsecho 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirectsecho 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects# director设置 nat 防火墙iptables -t nat -Fiptables -t nat -Xiptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE# director设置 ipvsadmIPVSADM='/sbin/ipvsadm'$IPVSADM -C$IPVSADM -A -t 172.16.254.200:80 -s wrr$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.18:80 -m -w 1$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.28:80 -m -w 1
查看ipvsadm设置的规则：ipvsadm -ln
六、实践LVS的DR模式
1、实验环境
三台机器：
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Director节点： (eth0 192.168.0.8 vip eth0:0 192.168.0.38)
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Real server1： (eth0 192.168.0.18 vip lo:0 192.168.0.38)
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Real server2： (eth0 192.168.0.28 vip lo:0 192.168.0.38)
2、安装
同五步骤
3、Director 上配置脚本
# vim /usr/local/sbin/lvs_dr.sh#! /bin/bashecho 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forwardipv=/sbin/ipvsadmvip=192.168.0.38rs1=192.168.0.18rs2=192.168.0.28ifconfig eth0:0 downifconfig eth0:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 uproute add -host $vip dev eth0:0$ipv -C$ipv -A -t $vip:80 -s wrr$ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 3$ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1
4、在2台 rs 上配置脚本
# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh#! /bin/bashvip=192.168.0.38ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 uproute add -host $vip lo:0echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignoreecho "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announceecho "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignoreecho "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
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