LVS原理解析

Posted 2020-10-08

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了LVS原理解析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

LVS简介

LVS是Linux Virtual Server的简写，即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。该项目由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。

使用LVS技术要达到的目标是：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器群集，它具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的服务性能。

负载均衡技术有很多实现方案，如基于DNS域名轮流解析的方法、基于客户端调度访问的方法、基于应用层系统负载的调度方法，还有基于IP地址的调度方法，在这些负载调度算法中，执行效率最高的就是IP负载均衡技术。

LVS的IP负载均衡技术是通过ipvs内核模块来实现的，ipvs是LVS集群系统的核心软件，它的主要作用是：安装在Director Server上，同时在Director Server上虚拟出一个IP地址，用户必须通过这个虚拟的IP地址访问集群服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP，即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达负载调度器，然后由负载调度器从Real Server列表中选取一个服务节点响应用户的请求。当用户的请求到达负载调度器后，调度器如何将请求发送到提供服务的Real Server节点，而Real Server节点如何返回数据给用户，是ipvs实现的重点技术，ipvs实现负载均衡机制有四种，分别是NAT、TUN和DR以及后来经淘宝开发的FullNat。

LVS的工作机制

lvs分为两个部件：ipvs和ipvsadm

ipvs：工作于内核空间，主要用于使用户定义的策略生效

ipvsadm：工作于用户空间，管理集群服务的命令行

如上图所示，ipvs工作于内核空间的INPUT链上，当收到用户的请求为某集群服务时，通过PREROUTING链，经检查本机路由表，送往INPUT链；在进入netfilter的INPUT链时，ipvs强行将请求报文通过ipvsadm定义的集群服务策略的路径改为FORWORD链，将报文转发至后端真实提供服务的主机。

LVS的三种工作类型

LVS有三种工作类型：

NAT：地址转换

DR：直接路由

TUN：隧道

各类术语介绍：CIP为客户端IP，VIP为虚拟ip，DIP为Director的ip，RIP为后端服务器的ip

LVS的NAT模型

此模型中，DR需要配置两个网卡分别为vip(公网地址:114.100.80.10)和Dip（私网地址:101.0.0.10），VIP只需要配置到DR上，而DIP需设置为后端服务器的网关地址。

它的工作机制：

①用户发出访问请求，此时源地址：CIP（200.10.10.1），目标地址为VIP（114.100.80.10）；

②当DR收到用户的请求，并发现该请求为集群服务请求，则运用LVS调度算法选择后端一台服务器进行响应，并将请求报文目标地址(vip：114.100.80.10)转换成经调度算法计算得出的后端主机IP(RIP：10.0.0.1)地址。此时源地址为CIP（200.10.10.1），目标地址转换为RIP（10.0.0.1）；

③后端主机(RIP：10.0.0.1)收到请求后，对该请求进行响应，并发送报文至DR，此时源地址为RIP（10.0.0.1），目标地址为CIP（200.10.10.1）；

④由于响应的目标地址为CIP（200.10.10.1），后端服务器无法直接响应client，需要DR将源地址(RIP：10.0.0.1)转换成VIP（114.100.80.10）的地址进行发送响应报文，转换后源地址为VIP（114.100.80.10），目标地址为CIP（200.10.10.1）；

NAT的特性：

1> RS应该使用私有地址；

2> RS的网关的必须指向DIP；

3> RIP和DIP必须在同一网段内；

4> 请求和响应的报文都得经过Director；在高负载场景中，Director很可能成为系统性能瓶颈；

5> 支持端口映射；

6> RS可以使用任意支持集群服务的OS；

LVS的DR模型

该类型中，DR上依旧配置有DIP和VIP，VIP配置在网卡别名上。每个RS都有自己的RIP以及在回环别名网卡中配置VIP，但是RS的vip隐藏起来，并不接收任何请求，只有在响应客户端请求时作为源地址使用。

1）client（200.10.10.1）向目标VIP（114.100.80.10）发出请求,通过ARP协议进行广播，找到DR，Director接收。此时源地址为CIP（200.10.10.1），目标地址为VIP（114.100.80.10）；

2）DR接受请求后，发现该请求为集群服务，LVS根据负载均衡算法选择一台active的RS，并通过ARP协议进行广播获取RS的MAC（00:0c:29:d2），而后将原来的MAC首部拆除重新封装，将选中的RS的网卡的mac地址作为目标mac地址。此时源地址为CIP，目标地址VIP，但VIP的MAC地址已经更改为RS的MAC地址。

3）RS在局域网中收到这个帧,拆开后发现目标IP(VIP)与本地匹配,于是处理这个报文.随后重新封装报文,发送给客户端.此时源地址为RS中的VIP，目标地址为CIP。

当我们分析上面两个网络模型的数据报时会发现一些问题：

1）由于vip需要在每台主机中配置，如何保证ARP请求报文不会被交换机或其它网络设备知道？

2）如何保证ARP通告报文不被交换机或其它网络设备知道？

3）由于RS只有一个网络接口，而linux内核默认情况下包封装时是从哪个网口出去那个网口就是源地址，如何确保RS转发出来的报文源IP是VIP，而不是RIP？

4）因为DR与RS都配置有相同的VIP，如何避免各主机VIP广播，造成无法通信？

解决办法：

1）Linux内核有两个关于ARP对待请回报文与通告报文的参数（arp_announce/arp_ignore），可以设定相应的级别来规避上述问题中的1、2两点；

2）对于问题3，我们可以在数据报封装后指定路由经lo别名上的接口发送出去然后再通过eth0网卡转发出去；

3）对于问题4，我们只需要设定vip的广播地址为它自己即可；

DR的特性：

1> 集群节点跟Director必须在同一个物理网络中；