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前提概要！

在大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用中，負載均衡設(shè)備是必不可少的組成部分，源于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高并發(fā)和大流量的沖擊壓力場景下，通常會在服務(wù)端部署多個無狀態(tài)的應(yīng)用服務(wù)器和若干有狀態(tài)的存儲服務(wù)器（數(shù)據(jù)庫、緩存等等）實現(xiàn)高可用特點和機制。

1. 官方站點：http://www.linuxvirtualserver.org；
2. 用過LVS的朋友，其實大家的目的性很明確，就是需要通過LVS提供的負載均衡技術(shù)和Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)一個高性能，高可用的服務(wù)器群集；
3. 并且這個集群具有良好的可靠性、可擴展性和可操作性，從而以低廉的成本實現(xiàn)最優(yōu)的服務(wù)性能，這也是大多數(shù)中小型公司青睞的架構(gòu)；

負載均衡層（Load Balancer）

1. 處于集群最前端，一臺或多臺構(gòu)成負載調(diào)度，俗稱負載調(diào)度器（Director Server）；
2. 分發(fā)請求給服務(wù)器集群組層的應(yīng)用服務(wù)器（Real Server）；
3. 監(jiān)控應(yīng)用服務(wù)器健康狀況，動態(tài)從LVS路由表中剔除、添加；
4. 也可以兼職Real Server的身份；

• 負載均衡設(shè)備的任務(wù)就是作為應(yīng)用服務(wù)器流量的入口，挑選最合適的一臺服務(wù)器，將客戶端的請求轉(zhuǎn)發(fā)給它處理，實現(xiàn)客戶端到真實服務(wù)端的透明轉(zhuǎn)發(fā)
• 云計算以及分布式架構(gòu)，本質(zhì)上也是將后端服務(wù)器作為計算資源、存儲資源，由某臺管理服務(wù)器封裝成一個服務(wù)對外提供，客戶端不需要關(guān)心真正提供服務(wù)的是哪臺機器，在它看來，就好像它面對的是一臺擁有近乎無限能力的服務(wù)器，而本質(zhì)上，真正提供服務(wù)的，是后端的集群支撐的計算能力。

負載均衡的類型

• 負載均衡可以采用硬件設(shè)備，也可以采用軟件負載。商用硬件負載設(shè)備成本通常較高（一臺幾十萬上百萬很正常）一般有F5和A10硬件負載均衡
• 所以在條件允許的情冴下我們會采用軟負載，軟負載解決的兩個核心問題是：選誰、轉(zhuǎn)發(fā)，其中最著名的是 LVS（Linux Virtual Server）、Nginx、HAproxy等

LVS 是四層負載均衡，是我們國家著名技術(shù)專家：章文嵩博士研發(fā)的，也就是說建立在 OSI 模型的第四層——傳輸層之上，傳輸層上有我們熟悉的TCP/UDP，LVS支持TCP/UDP的負載均衡。

LVS的轉(zhuǎn)發(fā)主要通過修改IP地址（NAT模式，分為源地址修改SNAT和目標地址修改DNAT）、修改目標MAC（DR 模式）來實現(xiàn)。

• 首先，LVS不像HAProxy等七層軟負載面向的是HTTP包，所以七層負載可以做的URL解析等工作，LVS無法完成。
• 其次，用戶訪問是與服務(wù)端建立連接后交換數(shù)據(jù)包實現(xiàn)的，如果在第三層網(wǎng)絡(luò)層做負載均衡，那么將失去「連接」的語義
• 軟負載面向的對象應(yīng)該是一個已經(jīng)建立連接的用戶，而不是一個孤零零的 IP 包后面會看到，實際上 LVS 的機器代替真實的服務(wù)器的用戶通過TCP三次握手建立了連接所以 LVS 是需要關(guān)心「連接」級別的狀態(tài)的

1. 一臺或多臺實際運行的應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成；
2. 每個Real Server關(guān)聯(lián)時通過有效網(wǎng)絡(luò)互連；

提供共享存儲空間和內(nèi)容一致性的存儲區(qū)域；例如：數(shù)據(jù)庫、OSS存儲、FS文件服務(wù)器等。

LVS相關(guān)術(shù)語

• DS：Director Server。指的是前端負載均衡器節(jié)點。
• RS：Real Server。后端真實的工作服務(wù)器。
• VIP：向外部直接面向用戶請求，作為用戶請求的目標的IP地址。
• DIP：Director Server IP，主要用于和內(nèi)部主機通訊的IP地址。
• RIP：Real Server IP，后端服務(wù)器的IP地址。
• CIP：Client IP，訪問客戶端的IP地址。

• DR
• NAT
• TUNNEL
• Full-NAT
• TUN

返里挑選常用的 DR、NAT、Full-NAT、TUN 來簡單介紹一下。

DR（Dynamic Route 動態(tài)路由）

通過為請求報文重新封裝一個MAC首部進行轉(zhuǎn)發(fā)，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目標MAC是某挑選出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目標IP/PORT均保持不變；

請求由LVS接受，由真實提供服務(wù)的服務(wù)器（RealServer, RS）直接返回給用戶，返回的時
候不經(jīng)過 LVS。

流程分析

DR 模式下需要LVS和綁定同一個 VIP（RS 通過將 VIP綁定在 loopback 實現(xiàn)），此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP；

源地址

目的地址

CIP

VIP

源MAC地址

目的MAC地址

CIP-MAC

VIP-MAC

1. 當用戶請求到達DS后，LVS只需要將網(wǎng)絡(luò)幀的MAC地址修改為某一臺RS的 MAC，該包就會被轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的RS處理，注意此時的源IP和目標IP都沒變，LVS 只是做了一下移花接木

IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，將請求報文中的源MAC地址修改為DIP的MAC地址，將目標MAC地址修改RIP的MAC地址， 此時的源IP和目的IP均未修改，僅修改了源MAC地址為DIP的MAC地址，目標MAC地址為RIP的MAC地址；

源地址

目的地址

CIP

VIP

源MAC地址

目的MAC地址

DIP-MAC

RIP-MAC

1. 由于DS和RS在同一個網(wǎng)絡(luò)中，所以是通過二層來傳輸。目標MAC地址為RIP的MAC地址，那么此時數(shù)據(jù)包將會發(fā)至RS。
2. RS 收到 LVS 轉(zhuǎn)發(fā)來的包，鏈路層發(fā)現(xiàn) MAC 是自己的，到上面的網(wǎng)絡(luò)層，發(fā)現(xiàn) IP 也是自己的，于是返個包被合法地接受，RS 感知不到前面有 LVS 的存在。處理完成之后，將響應(yīng)報文通過lo接口傳送給eth0網(wǎng)卡然后向外發(fā)出，此時的源IP地址為VIP，目標IP為CIP；

源地址

目的地址

VIP

CIP

1. 響應(yīng)報文最終送達至客戶端，而當 RS 返回響應(yīng)時，只要直接向源 IP（即用戶的 IP）返回即可，不再經(jīng)過 LVS。DR 模式是性能最好的一種模式

這種模式下，有幾個要點：

主要是這種模式在于，通過LVS只是在請求階段做轉(zhuǎn)發(fā)，而且修改的也不是IP地址，而是MAC地址，針對于修改后的MAC地址會自動轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)網(wǎng)段內(nèi)MAC主機的服務(wù)器上面，之后因為IP都沒有改變，之后實際RS可以直接發(fā)送給目標Client服務(wù)器，這種性能最好，但是對網(wǎng)絡(luò)層面要求比較高，對網(wǎng)絡(luò)擴展角度而言控制力度略低。

• NAT是一種外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)地址映射的技術(shù)
• NAT模式下，網(wǎng)絡(luò)報的進出都要經(jīng)過LVS的處理

多目標IP的DNAT，通過將請求報文中的目標地址和目標端口修改為選出來的RS的RIP和PORT實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。

流程分析

1. LVS需要作為RS的網(wǎng)關(guān)，當包到達LVS 時LVS 做目標地址轉(zhuǎn)換（DNAT）。此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP；

源地址

目的地址

CIP

VIP

1. IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，修改數(shù)據(jù)包的目標IP地址為后端服務(wù)器IP， 此時報文的源IP為CIP，目標IP為RIP；RS接收到包以后，仿佛是客戶端直接發(fā)給它的一樣。

源地址

目的地址

CIP

RIP

1. RS比對發(fā)現(xiàn)目標為自己的IP，將請求處理完，返回響應(yīng)時，此時報文的源IP為RIP，目標IP為CIP；

源地址

目的地址

RIP

CIP

1. 返回時RS的包通過網(wǎng)關(guān)（LVS）中轉(zhuǎn)，LVS 會做源地址轉(zhuǎn)換（SNAT），將包的源地址改為VIP，這樣，這個包對客戶端看起來就仿佛是LVS直接返回給它的。此時會將源IP地址修改為自己的VIP地址，然后響應(yīng)給客戶端，此時報文的源IP為VIP，目標IP為CIP；

客戶端無法感知到后端RS 的存在

源地址

目的地址

VIP

CIP

要點

客戶端是不知道真是RS地址的，但是RS服務(wù)器卻是可以知道ClientIP的（因為數(shù)據(jù)包中會包含了ClientIP），但是由于中介LVS的原因，使得發(fā)送的時候發(fā)給VIP（LVS），返回的時候，由LVS把源地址修改為VIP，所以對于客戶端不能來講是不知道目標地址的RS的存在。這就是反向代理的概念，客戶端是不知道真正服務(wù)器的存在，知道的只有門面VIP的存在。

特性

1. 要求DS具備雙網(wǎng)卡，VIP應(yīng)對公網(wǎng)，而DIP必須和RIP在同一個網(wǎng)段內(nèi)；
2. RIP、DIP應(yīng)該使用私網(wǎng)地址，同在一個網(wǎng)段中，且RS的網(wǎng)關(guān)要指向DIP；
3. 請求和響應(yīng)報文都要經(jīng)由DS轉(zhuǎn)發(fā)，極高負載中，DS可能會成為系統(tǒng)瓶頸；
4. RS可以使用任意OS；

在原有的IP報文外再次封裝多一層IP首部，內(nèi)部IP首部(源地址為CIP，目標IIP為VIP)，外層IP首部(源地址為DIP，目標IP為RIP)。

流程分析

1. 當用戶請求到達DS后，此時請求的數(shù)據(jù)報文會先到內(nèi)核空間的PREROUTING鏈，此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP；

源地址

目的地址

CIP

VIP

1. PREROUTING檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目標IP是本機，將數(shù)據(jù)包送至INPUT鏈；
2. IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，在請求報文的首部再次封裝一層IP報文，封裝源IP為為DIP，目標IP為RIP。然后發(fā)至POSTROUTING鏈。 此時源IP為DIP，目標IP為RIP；

IP首部源地址

IP首部目的地址

源地址

目的地址

DIP

RIP

CIP

VIP

1. POSTROUTING鏈根據(jù)最新封裝的IP報文，將數(shù)據(jù)包發(fā)至RS（因為在外層封裝多了一層IP首部，所以可以理解為此時通過隧道傳輸），此時源IP為DIP，目標IP為RIP；
2. RS接收到報文后發(fā)現(xiàn)是自己的IP地址，就將報文接收下來，拆除掉最外層的IP后，會發(fā)現(xiàn)里面還有一層IP首部，而且目標是自己的tun0接口VIP，那么此時RS開始處理此請求，處理完成之后，通過tun0接口送出去向外傳遞，此時的源IP地址為VIP，目標IP為CIP；

源地址

目的地址

VIP

CIP

1. 響應(yīng)報文最終送達至客戶端；

1、DIP、VIP、RIP都應(yīng)該是公網(wǎng)地址；
2、RS的網(wǎng)關(guān)不能，也不可能指向DIP；
3、RS必須支持IP隧道；

Full-NAT

無論是 DR 還是 NAT 模式，不可避免的都有一個問題：LVS 和 RS 必須在同一個 vlan 下， 否則 LVS 無法作為 RS 的網(wǎng)關(guān)。

這引發(fā)的兩個問題是：

1. 同一個VLAN的限制導(dǎo)致運維不方便，跨VLAN的RS無法接入
2. LVS的水平擴展受到制約。當RS水平擴容時，總有一天其上的單點LVS會成為瓶頸

Full-NAT 由此而生，解決的是 LVS 和 RS 跨 VLAN 的問題，而跨 VLAN 問題解決后，LVS 和 RS 不再存在 VLAN 上的從屬關(guān)系，可以做到多個 LVS 對應(yīng)多個 RS，解決水平擴容的問 題。

Full-NAT 相比 NAT 的主要改迕是，在 SNAT/DNAT 的基礎(chǔ)上，加上另一種轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過
程如下：

• 在包從 LVS 轉(zhuǎn)到 RS 的過程中，源地址從客戶端 IP 被替換成了 LVS 的內(nèi)網(wǎng) IP。
• 內(nèi)網(wǎng)IP之間可以通過多個交換機跨VLAN通信
• 當RS處理完接受到的包，返回時，會將返個包返回給LVS的內(nèi)網(wǎng)IP，返一步也不受限于VLAN。
• LVS 收到包后，在 NAT 模式修改源地址的基礎(chǔ)上，再把RS發(fā)來的包中的目標地址從LVS內(nèi)網(wǎng) IP 改為客戶端的 IP。

Full-NAT主要的思想是把網(wǎng)關(guān)和其下機器的通信，改為了普通的網(wǎng)絡(luò)通信，從而解決了跨 VLAN 的問題。采用返種方式，LVS 和 RS 的部署在 VLAN 上將不再有任何限制，大大提高了運維部署的便利性。

上面其實是把內(nèi)網(wǎng)ip和內(nèi)網(wǎng)ip之間通過交換機進行轉(zhuǎn)換捆綁，從而可以跨vlan進行服務(wù)請求代理。

客戶端與服務(wù)端的通信，一次請求可能包含多個TCP 包，LVS 必須保證同一連接的TCP包，必須被轉(zhuǎn)發(fā)到同一臺RS，否則就亂套了。為了確保返一點，LVS 內(nèi)部維護著一個 Session的 Hash 表，通過客戶端的某些信息可以找到應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)到哪一臺 RS 上。

采用 Full-NAT 模式后，可以搭建 LVS 的集群，拓撲結(jié)構(gòu)如下圖：

容災(zāi)

容災(zāi)分為 RS 的容災(zāi)和 LVS 的容災(zāi)。

RS 的容災(zāi)可以通過 LVS 定期健康檢測實現(xiàn)，如果某臺 RS 失去心跳，則認為其已經(jīng)下線， 不會在轉(zhuǎn)發(fā)到該 RS 上。

LVS 的容災(zāi)可以通過主備+心跳的方式實現(xiàn)。主 LVS 失去心跳后，備 LVS 可以作為熱備立 即替換。

容災(zāi)主要是靠 KeepAlived 來做的。(心跳以及下線剔除或者替換工作主要通過keepalived進行控制)