lvs_nat 负载均衡模式及抓包分析

Posted 2020-10-28

1. 前言

搭建一个简单的lvs nat 模式的负载均衡环境，用来验证一下整个访问请求过程的数据包走向流程。

2. LVS的nat模式的服务器架构图

注意在架构图中的说明。
客户端和realserver不能再同一个网段，不然直接响应，不走网关

3. 架构搭建流程说明

3.1 准备工作

三台机器：

1. 调度器简称dr，我这里简化叫做VIP，

        eth0     192.168.188.108    内网ip
        eth1      192.168.56.200     vip

2. 两台realserver，简称RS,

       RS1   eth0   192.168.188.107   设置网关为 192.168.188.108
       RS2   eth0    192.168.188.110   设置网关为 192.168.188.108

3. 三台机器都需要关闭selinux，和清空iptables

一台客户机：

client    eth1     192.168.56.111   用来做验证，访问VIP；

3.2 VIP 服务器操作

安装ipvsadm

yum  install -y   ipvsadm

编写lvs_nat.sh 脚本

[root 09:54:01 @CentOS3 sbin] cat /usr/local/sbin/lvs_nat.sh 
#! /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_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects
# 注意区分网卡名字，我的两个网卡分别为eth0和eth1
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects
# director 设置nat防火墙
iptables -t nat -F
iptables -t nat -X
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.188.0/24  -j MASQUERADE
# director设置ipvsadm
IPVSADM=‘/sbin/ipvsadm‘
$IPVSADM -C
$IPVSADM -A -t 192.168.56.200:80 -s  wrr 
$IPVSADM -a -t 192.168.56.200:80 -r 192.168.188.107:80 -m -w 2
$IPVSADM -a -t 192.168.56.200:80 -r 192.168.188.110:80 -m -w 1

chmod   755  /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

运行脚本：
    /bin/bash   /usr/local/sbin/lvs_nat.sh  

运行脚本后，查看VIP 服务器上的 ipvs 配置，出现如下结果，说明nat 模式配置正确：

[root 10:57:40 @CentOS3 sbin] ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.56.200:80 wrr
  -> 192.168.188.107:80           Masq    2      0          16        
  -> 192.168.188.110:80           Masq    1      0          8      

3.3 在RS 服务器安装nginx 服务

分别在两台realserver 服务器上安装nginx，然后修改nginx 的默认html 页面，让他们返回不同的内容，用来区分实验就可以了。

记住，realserver 上的网卡网关要改为VIP 的内网IP（192.168.188.108），这样才能让realserver的数据包返回到VIP服务器。

4. 开始测试验证

4.1 客户端发起请求

在终端，写一死循环，让它不断地访问VIP服务器

[root 09:59:24 @CentOS3_3 ~] while  true; do  curl  -x192.168.56.200:80  localhost ;sleep  5; done
cenvm72
cenvm71
cenvm71
cenvm72
cenvm71
cenvm71
cenvm72
cenvm71
cenvm71

由于我现在的nat 模式使用的连接算法是加权轮询，cenvm71 的机器权重是2，cenvm72 的机器权重是1，这个权重在VIP 服务器的 lvs_nat.sh 脚本设置。从curl 返回的结果来看，访问连接被VIP 服务器按2:1 的比例，均匀的分派到后端两台RS 服务器。

4.2 模块分析

客户端发起请求

nat模式中，vip机器进行ip的转发，只改变目的ip
res1和res2需要提供web服务(nginx或者httpd都可以)

请求流程图

1>客户端发起请求到vip机器上，vip服务器根据lvs的算法，转发给realserver服务器（改变目的ip为rs1或者rs2），并记录连接信息，只改变目的ip，源ip不变。
2>realserver收到request请求包之后，发现目的ip是自己的ip，处理请求，然后走网关，经过vip
3>vip收到reply包后，修改reply包的源ip地址为vip，发给客户端
4>从客户端来的属于本地连接的包，查hash表，然后转发给real-server
5>当client发送完毕以后，此次连接结束或者连接超时，lvs自动从hast表中删除此条记录；

(1) 客户端访问 vip：
source 192.168.56.111 dest 192.168.56.200
在vip 上的eth1 网卡抓包：

(2) vip处理数据转发到后端realserver，在vip 上抓eth0 的报文：
source 192.168.56.111 dest 192.168.188.107 (rs 的ip地址)

(3) rs 返回数据给vip，rs的网关是vip 服务器的eth0，所以，在vip 的eth0 上抓数据：

source 192.168.188.107 dest 192.168.56.111 (客户的IP 地址)

(4) vip 返回数据给客户client，先从eth0返回给eth1，在从eth1 将源ip改成vip，目标ip保持不变：
sourc 192.168.56.200 dest 192.168.56.111

(5) 在客户端抓eth1 的数据包，可以抓到所有的数据包都是从vip 返回的：

5. 总结

通过实验，验证了lvs nat 模式中，数据报文的ip地址是如何改变的。但是，也可以发现这种模式存在一个明显的缺点。当访问流量比较大的时候，VIP 调度服务器将会成为性能瓶颈。因为客户端的连接既要通过VIP 转发，又要通过VIP 返回，在响应数据比请求数据要长得多的情况下，VIP 调度器就会成为瓶颈。