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LVS负载均衡之LVS-NAT与LVS-DR模式原理详解

[日期:2018-11-27] 来源:Linux社区  作者:小樱桃Cherry [字体: ]

一、负载均衡LVS基本介绍

  1. 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,它的官方网站是 http://www.linuxvirtualserver.org

  2. LVS是Linux内核标准的一部分。LVS是一个实现负载均衡集群的开源软件项目,通过 LVS 的负载均衡技术和 Linux操作系统可以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。
  3. LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。LVS实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用。

二、LVS的组成

LVS 由2部分程序组成,包括 ipvs 和 ipvsadm。

  1. ipvs(ip virtual server):工作在内核空间,是真正生效实现调度的代码。
  2. ipvsadm:工作在用户空间,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)

三、LVS相关术语

  1. DS:Director Server, 指的是前端负载均衡器节点。
  2. RS:Real Server, 后端真实的工作服务器。
  3. VIP:向外部直接面向用户请求,作为用户请求的目标的IP地址。
  4. DIP:Director Server IP, 前端负载均衡器IP地址,主要用于和内部主机通信。
  5. RIP:Real Server IP, 后端服务器的IP地址。
  6. CIP:Client IP, 访问客户端的IP地址

四、LVS的工作模式介绍

LVS负载均衡常见的有三种工作模式,分别是地址转换(简称NAT模式)、IP隧道(简称TUN模式)和直接路由(简称DR模式),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,下面总结 DR 和 NAT 原理和特点:

1. LVS-NAT模式

(1) LVS-NAT原理

类似于防火墙的私有网络结构,Director Server作为所有服务器节点的网关,,即作为客户端的访问入口,也是各节点回应客户端的访问出口,其外网地址作为整个群集的VIP地址,其内网地址与后端服务器Real Server在同一个物理网络,Real Server必须使用私有IP地址。
LVS负载均衡之一:LVS-NAT、LVS-DR模式的原理详细介绍

数据包流向分析

  • 用户发送请求到Director Server,请求的数据报文(源IP是CIP,目标IP是VIP)到达内核空间。

  • 内核空间判断数据包的目标IP是本机,此时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,重新封装数据包(源IP为CIP,目标IP为RIP),然后选路将数据包发送给Real Server。

  • Real Server比对发现目标IP是本机的IP,重新封装报文(源IP为RIP,目标IP为CIP)发回给Director Server。

  • Director Server重新封装数据包,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。

(2) LVS-NAT模型的特点

  • RS必须使用私有IP地址,网关指向DIP。

  • DIP与RIP必须在同一网段内。

  • DS作为所有服务器节点的网关,也就是说请求和响应报文都需要经过Director Server。

  • 支持端口映射

  • 高负载场景中,Director Server压力比较大,易成为性能瓶颈。

2. LVS-DR模式

(1) LVS-DR原理

Director Server作为群集的访问入口,但不作为网关使用,后端服务器池中的Real Server与Director Server在同一个物理网络中,发送给客户机的数据包不需要经过Director Server。为了响应对整个群集的访问,DS与RS都需要配置有VIP地址。
LVS负载均衡之LVS-NAT与LVS-DR模式原理详解
数据包流向分析

  • 用户发送请求到Director Server,请求的数据报文(源IP是CIP,目标IP是VIP)到达内核空间。

  • 由于DS和RS在同一个网络中,所以是通过二层数据链路层来传输。
  • 内核空间判断数据包的目标IP是本机IP,此时IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务,若是,重新封装数据包,修改源MAC地址为DIP的MAC地址,目标MAC地址为RIP的MAC地址,源IP地址与目标IP地址没有改变,然后将数据包发送给Real Server.
  • RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址,就接收此报文,重新封装报文(源IP地址为VIP,目标IP为CIP),将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。
  • RS直接将响应报文传送到客户端。

(2) LVS-DR模型的特点

  • RS和DS必须在同一个物理网络中。
  • RS可以使用私有地址,也可以使用公网地址,如果使用公网地址,可以通过互联网对RIP进行直接访问。
  • 所有的请求报文经由Director。 Server,但响应报文必须不能经过Director Server。
  • RS的网关绝不允许指向DIP(不允许数据包经过director)。
  • RS上的lo接口配置VIP的IP地址。

LVS-DR模式需要注意的是:
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。

解决方案是: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。

  • arp_ignore=1表示系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求。

  • arp_announce=2表示系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址,而选择发送接口的IP地址。

五、LVS的负载调度算法

最常用的有四种;轮询(rr)、加权轮询(wrr)、最少连接(lc)和加权最少连接(wlc)。

  • 轮询(rr):将收到的访问请求按照顺序轮流调度到不同的服务器上,不管后端真实服务器的实际连接数和系统负载。
  • 加权轮询(wrr):给RS设置权重,权重越高,那么分发的请求数越多,权重的取值范围0–100。根据每台服务器的性能,给每台服务器添加权值,如果RS1的权值为1,RS2的权值为2,那么调度到RS2的请求会是RS1的2倍。权值越高的服务器,处理的请求越多。这种算法是对rr算法的一种优化和补充。
  • 最少连接(lc):根据后端RS的连接数来决定把请求分发给谁,比RS1连接数比RS2连接数少,那么请求就优先发给RS1。
  • 加权最少连接(wlc):根据后端RS的权重和连接数来决定把请求分发给谁,权重较高,连接数少的RS会优先处理请求。

六、LVS的共享存储服务器

为后端真实服务器提供稳定、一致的文件存取服务,在Linux/Unix环境中,共享存储可以使用NAS设备或者提供NFS(网络文件系统)共享服务的专用服务器。一般放在私有网络中。

LVS的NAT模式案例部署详细请看LVS负载均衡之LVS-NAT搭建Web群集

LVS的DR模式案例部署详细请看LVS负载均衡之LVS-DR搭建Web群集与LVS结合Keepalived搭建高可用Web群集

Linux公社的RSS地址https://www.linuxidc.com/rssFeed.aspx

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