LVS四层负载均衡器原理和DR模式的搭建

什么是LVS（what）?

LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。本项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的*软件项目之一。后来被Linux内核收录，将LVS代码直接整合到Linux的内核中，使LVS成为内核程序而不是用户程序，这样LVS的逻辑以及数据均在内核态进行处理，不需要通过事件中断的方式copy到用户态，这样使LVS的性能更优。

 

为什么需要LVS（why）?

LVS是4层（IP:PORT）负载均衡器，主要解决高并发衍生服务器过载的问题。为了帮助理解，我们思考下面的场景：假设我们开发的某个电商项目部署在一个Tomcat容器里面运行（例如早期的淘宝），随着不断的推广和运营，日活用户量越来越大，假设达到每秒1W的并发，普通服务器上部署的单个Tomcat容器一般并发在800-1000左右，所以此时这个千级别并发的服务因为承受不了上W的并发会挂掉，如下图：

一般解决这个问题最快速、最直接的办法就是加机器，加完后如下图：

这种方式可行吗？答案是：不完全可行，原因是客户端一般是通过一个域名去访问应用服务的，一个域名只能解析一个IP，通常为了域名更方便记忆，直接使用80端口的方式，现在后端服务部署了10个tomcat,但是这10个tomcat是运行在不同的服务器上，他们的ip肯定不相同，现在面临的问题就是如何实现客户端访问一个IP负载到不同的IP上？

有两种办法解决上述问题：

1、基于DNS的负载均衡：使用域名系统通过将域名解析为服务器的不同IP地址来将请求分发到不同的服务器，但是DNS在负载均衡的算法实现上不太灵活。

2、基于任务分派器的负载均衡：目前有两种方式实现，一种是基于7层协议（URL级别的）的任务分派器（例如nginx），另一种是基于4层协议（IP:PORT级别的）的任务分派器（例如LVS），由于基于4层协议的任务分配器它并不需要承受所有客户端的TCP的3次握手和4次挥手的连接压力，而是直接转给后端负载服务，相反，7层协议需要承受TCP握手和挥手的连接压力，所以4层协议比7层协议性能更高，根据LVS官方给出经验：7层负载均衡器可以较轻松代理负载5台节点，当超过5个时，负载均衡本身就会成为新的瓶颈，而4层负载均衡器LVS可以代理负载25-100个（不同模式决定）应用服务器。

总结：LVS可以基于4层协议高效解决客户端访问一个IP负载到多个不同的IP的问题。加入LVS后的架构如下：

理解LVS 的waht和why之后，下面开始讲解LVS是如何实现一个IP负载到不同的IP上的。在讲解LVS之前这里先介绍后面频繁提到的几个关键字：

1、负载均衡器：表示LVS实现的负载均衡器。

2、客户端：表示任意请求客户端，例如浏览器、curl等。

3、Real Server：又被称为RS ，真实业务服务器，例如上面的业务Tomcat容器。

4、虚拟IP：又被称为VIP，LVS负载均衡器IP，在生产环境一般是域名映射的公网IP地址，给客户端访问的地址，例如www.taobao.com。

5、虚拟服务器：又称为代理服务器，又简称为DS。

6、ipvsadm: LVS内核态对应的用户态客户端程序，用来操作LVS配置，类似linux操作系统内核对应的systemctl管理命令。

LVS三大模式

• NAT模式

• TUN模式

• DR模式

 

其中DR模式是较常用的模式，后面只会给出DR模式的完整搭建过程，其它模式只讲解原理。

 

NAT模式

NAT模式的出现是为了解决全球IP地址数量短缺的问题，NAT（Network Address Translation）翻译为：网络地址转换，NAT代理（例如公网路由器）的原理是通过占用一个连接到公网的IP，来代理某个局域网的多个内网IP（例如内网路由器或电脑主机），NAT代理层级可以是多个层级，但是至少要有一个层级是连到公网的且其它NAT代理的网关都配置到连接公网的路由器才能上网。

当某个电脑内网IP想要访问公网数据时（比如访问www.taobao.com），首先通过本机的内网IP二进制&子网掩码二进制（一般为255.255.255.0）得到下一跳的地址一般是WAN对应的LAN路由器（上一级的NAT代理）的地址，NAT代理会一层一层去修改请求TCP数据包的源IP地址直到修改为那个公网IP地址作为数据包的源IP后再发送搞公网的下一跳，当请求响应到NAT代理时，NAT会再次一层一层修改响应的TCP数据包的目标IP地址为源头那个电脑内网IP，使用NAT模式时需要保证你的每个路由器网关配置正确，使它最终能够走到公网那个路由器。

可见NAT需要接受请求并重新发起请求并接受响应，对于高并发的场景来说会影响性能。所以LVS虽然支持NAT模式，但是不建议作为优先使用的模式。

 

NAT模式架构图：

架构图流程说明：

1、客户端请求虚拟服务器的IP地址（Virtual IP Address），该请求首先到达LVS-NAT模式的负载均衡器上。

2、负载均衡器检查数据包的目标地址和端口号，如果匹配虚拟IP和端口，然后从虚拟服务器规则表找到对应的Real Server列表，通过调度算法从列表中选择一个Real Server，并将该连接和对应的Real Serve关系记录到哈希表中（最小连接数调度算法的依据，以及同一个TCP连接3次握手和4次挥手以及业务的数据包必须要发送到同一个Real Server的依据），然后，将数据包的目标地址和端口重写为所选Real Serve服务器的地址和端口，最后负载均衡器将数据包转发到Real Serve服务器。

3、Real Server处理完成后将响应TCP数据回复给负载均衡器。

4、负载均衡器收到Real Server回复后再次重写回复的TCP数据包。

5、最后负载均衡器将重写后的TCP数据包回复给客户端。

6、连接终止或超时后，连接记录将从哈希表中删除。

 

 

NAT模式拓扑：

下表为上图对应的搭建拓扑说明：

节点	服务器公网虚拟IP:PORT	服务器内网IP:PORT	角色
node1	10.68.212.101:80	10.68.212.1:80（下一跳网关地址）	NAT模式负载均衡器
node2	无	10.68.212.102:80	Real Server 1
node3	无	10.68.212.103:80	Real Server 2

 

1、当某个客户端假设IP:PORT为：10.68.212.63:3456请求负载均衡器虚拟IP地址时，TCP数据包中的源IP:PORT和目标IP:PORT伪信息如下：

SOURCE: 10.68.212.63:3456    DEST:10.68.212.101:3456

2、负载均衡器根据调度算法（加权轮询、最小连接数、加权最小连接数）选择一个Real Server,假设选择到node3,那么此时负载均衡器将修改TCP的IP:PORT数据为：

SOURCE: 10.68.212.63:3456    DEST:10.68.212.103:3456

3、Real Server处理完成后通过找到下一跳（10.68.212.103二进制&255.255.255.0二进制，可以通过在线工具http://ip.soshoulu.com/ip_jisuan.aspx计算得到）为负载均衡器内网地址（10.68.212.1），回复的数据包流转到负载均衡器的TCP数据包IP相关信息如下：

SOURCE: 10.68.212.103:3456    DEST:10.68.212.63:3456

4、很明显上面回复如果直接给到客户端，客户端时不会接收的，因为IP信息和发出时的匹配不上（10.68.212.103不匹配10.68.212.101），所以此时负载均衡器需要再次修改回复的TCP数据包的IP信息如下：

SOURCE: 10.68.212.101:3456    DEST:10.68.212.63:3456

注意点：

1、一般我们局域网的NAT代理路由器只支持代理内网IP发出请求，不支持接受外部请求内网IP，因为不同局域网的内网IP是允许重复的，但是LVS的NAT模式是需要支持接受外部请求的，所以LVS是在NAT原理基础上进行改造的（重写TCP数据包），也就是LVS的NAT模式跟我们局域网的路由器NAT是有区别的。

2、NAT模式要求集群中涉及的服务均在同一个局域网（WAN）内，不能跨LAN。

 

NAT模式特性：

1、可以运行在任何支持TCP/IP的操作系统。

2、Real Server必须将网关指向负载均衡器。

3、扩展能力有限，官方保守估计当Real Server大于20个节点时，负载均衡器本身会成为瓶颈，因为NAT模式下负载均衡器需要处理请求和响应的TCP数据包。

4、集群可以在私有网络下运行。

 

以上为LVS NAT模式的核心原理，这里不给出搭建过程，如有兴趣可以查阅下面的官方文档链接完成搭建。

http://www.linux-vs.org/VS-NAT.html

 

TUN模式

TUN模式又称为IP隧道模式。

TUN模式架构图：

架构图流程说明：

1、客户端请求虚拟服务器的IP地址（Virtual IP Address）。

2、负载均衡器检查数据包的目标地址和端口号，如果匹配虚拟IP和端口，则从虚拟服务器规则表找到对应的Real Server列表，通过调度算法从列表中选择一个Real Server，并将该连接和对应的Real Serve关系记录到哈希表中（最小连接数调度算法的依据，以及同一个TCP连接3次握手和4次挥手以及业务的数据包必须要发送到同一个Real Server的依据），然后，负载均衡器将数据包再封装一层，将目标IP修改为所选的Real Server的IP（IP隧道模式核心就是IP嵌套IP），并将其转发到所选的Real Server服务器。下面会单独讲解IP嵌套IP的概念。

3、Real Server服务器收到数据包时对数据包进行解封（Real Server必须同时配置好IP隧道），将响应结果直接返回给客户端。

4、连接终止或超时后，连接记录将从哈希表中删除。

 

注意点：

1、IP隧道核心概念就是IP嵌套IP，假定虚拟服务的IP地址为：10.68.212.101，而Real Server分别为：10.68.212.102，10.68.212.103，当客户端请求目标地址为虚拟IP：10.68.212.101时，虚拟服务会将TCP数据包再封装一层,包装后的目标IP改为对应的Real Server，然后转发给Real Server。然后Real Server将其解封后发现里面目标IP是发往配置的虚拟IP地址，此时Real Server会接受并处理该数据包（而不是继续转发），最后将处理结果直接返回给客户端。

2、IP隧道模式允许跨局域网LAN。

3、IP隧道模式要求Real Server服务器使用的端口和虚拟服务的端口一致。

4、IP隧道模式需要有单独3个角色的IP：虚拟IP、负载均衡IP、Real Server IP。

5、IP隧道模式和NAT模式的区别在于IP隧道模式负载均衡器通过IP隧道转发，NAT模式负载均衡器通过NAT转发。

 

TUN模式特性：

1、由于负载均衡器不实际处理TCP请求和响应数据包，而是简单封装数据包进行转发，扩展性好，单个负载均衡器能够带动100个节点。

2、不能将网关指向负载均衡器，指向自有网关即可。

3、集群网络允许跨不同的LAN/WAN。

4、限制服务器必须“IP Tunneling”或者“IP Encapsulation”协议。

 

以上为IP 隧道模式的核心原理，这里不给出搭建过程，如有兴趣可以查阅下面的官方文档链接完成搭建。

http://www.linux-vs.org/VS-IPTunneling.html

 

DR模式

DR模式又称为直接路由模式，也是本章重点。这种模式特殊之处在于负载均衡器和Real Server共享虚拟IP地址，也就是Real Server和LVS负载均衡器服务器节点都要配置虚拟IP（VIP），但是我们知道IP地址是不能重复的，LVS怎么解决这个问题呢？

假设VIP地址为：10.68.212.100， 那么负载均衡器可以在对外公开的网卡接口上配置一个子接口IP来创建对外公开的VIP：10.68.212.100，而Real Server 则通过在回环路由（localhost所在的网卡）的网卡上配置一个子接口IP来创建不对外公开的VIP：10.68.212.100。这样负载均衡器和Real Server都拥有VIP：10.68.212.100。

注意，负载均衡器必须和Real Server直连在同一个LAN的WAN下，因为负载均衡器需要通过将数据帧的MAC地址更改为所选Real Server服务器的MAC地址，然后在LAN上重新传输的方式来找到对应的Real Server。

 

DR模式架构图：  

架构图流程说明：

1、当客户端访问虚拟服务IP地址时，数据包首先到达对外公开的VIP所在的负载均衡器上。

2、负载均衡器检查数据包的目标地址和端口号，如果匹配VIP和端口，则从虚拟服务器规则表找到对应的Real Server列表，通过调度算法从列表中选择一个Real Server，并将该连接和对应的Real Serve关系记录到哈希表中（最小连接数调度算法的依据，以及同一个TCP连接3次握手和4次挥手以及业务的数据包必须要发送到同一个Real Server的依据），然后，负载均衡器根据配置的虚拟服务器规则表中的Real Server IP地址发起一个ARP协议广播到LAN，由LAN交换机找到返回该Real Server的MAC地址，最后负载均衡器将数据帧的MAC地址更改为所选Real Server服务器的MAC地址，在LAN上重新传输。

3、Real Server服务器收到数据包时会发现该数据包目标地址VIP为本地回环IP地址，此时将使用类似localhost的本地套接字处理方式进行处理，最后将处理结果直接返回给客户端。

4、连接终止或超时后，连接记录将从哈希表中删除。

DR模式特性：

1、由于负载均衡器不实际处理TCP请求和响应数据包，而是直接转发，扩展性好，单个负载均衡器能够带动100个节点。

2、不能将RS网关指向负载均衡器，指向自有网关即可。

3、跟TUN模式相比，这种方法没有IP隧道的开销。

4、要求负载调度器与实际服务器都有一块网卡连在同一物理网段上。

5、服务器网络设备（或者设备别名）不作ARP响应，或者能将报文重定向（Redirect）到本地的Socket端口上。

LVS负载均衡算法

在内核中的连接调度算法上，IPVS已实现了以下十种调度算法：

• 轮循调度（rr）

• 加权轮循调度（wrr）

• 最小连接调度（lc）

• 加权最小连接调度（wlc）

• 基于局部性的最少链接（lblc）

• 带复制的基于局部性最少链接（lblcr）

• 目标地址散列调度（dh）

• 源地址散列调度（sh）

• 最短预期延时调度（sed）

• 不排队调度（nq）

右边括号对应ipvsadm 命令 -s选项参数值。

 

DR模式搭建

1、准备3个测试节点服务器，笔者这里规划清单如下：

节点	角色	虚拟IP	对外网卡IP
node1	LVS负载均衡器	10.68.212.100	10.68.212.101
node2	Real Server1	10.68.212.100	10.68.212.102
node3	Real Server2	10.68.212.100	10.68.212.103

2、node2执行以下命令，通过安装httpd服务模拟web业务应用服务：

yum install -y httpd
# 写入点内容区分后面负载均衡测试效果
echo "this is node2 real server" > /var/www/html/index.html
# 启动httpd服务
systemctl start httpd.service
# 关闭防火墙
systemctl stop firewalld

 

3、node3执行以下命令，通过安装httpd服务模拟web业务应用服务：

yum install -y httpd
# 写入点内容区分后面负载均衡测试效果
echo "this is node3 real server" > /var/www/html/index.html
# 启动httpd服务
systemctl start httpd.service
# 关闭防火墙
systemctl stop firewalld

4、浏览器分别访问测试httpd启动情况，分别出现如下图表示正常：

5、所有节点检查安装ifconfig命令：

 yum install -y net-tools.x86_64

6、调整Real Server的arp_ignore和arp_announce参数，它们都和ARP协议相关，主要用于控制系统返回arp响应和发送arp请求时的动作。这两个参数很重要，特别是在LVS的DR场景下，它们的配置直接影响到DR转发是否正常。（node2、node3都配）：

 

echo 1  > /proc/sys/net/ipv4/conf/enp0s3/arp_ignore
echo 1  > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 2  > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 2  > /proc/sys/net/ipv4/conf/enp0s3/arp_announce

配置说明如下：

• arp_ignore参数的作用是控制系统在收到外部的arp请求时，是否要返回arp响应，常用配置值为0，1，下面对其说明：

  0：响应任意网卡上接收到的对本机IP地址的arp请求（包括环回网卡上的地址），而不管该目的IP是否在接收网卡上（默认）。

  1：只响应目的IP地址为接收网卡上的本地地址的arp请求。

• arp_announce的作用是控制系统在对外发送arp请求时，如何选择arp请求数据包的源IP地址，常用配置值0，1，2，下面对其说明：

  0：允许使用任意网卡上的IP地址作为arp请求的源IP，通常就是使用数据包a的源IP（默认）。

  1：尽量避免使用不属于该发送网卡子网的本地地址作为发送arp请求的源IP地址。

  2：忽略IP数据包的源IP地址，选择该发送网卡上最合适的本地地址作为arp请求的源IP地址。

7、配置Real Server的VIP（node1、node2均需要配置），配置在环回网卡lo接口的子接口上，注意子网掩码为255.255.255.255：

ifconfig lo:1 10.68.212.100 netmask 255.255.255.255

 

8、node1节点创建VIP，先通过ifconfig命令查看网卡信息：

ifconfig

9、通过ifconfig命令在enp0s3网卡子接口上创建VIP，命令如下：

ifconfig enp0s3:0 10.68.212.100/24

10、将node1配置为路由器能力，使之接收到目标地址为VIP时做转发而不是直接自己处理数据：

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

11、node1安装ipvsadm客户端程序：

 yum install -y ipvsadm

12、node1节点创建VIP规则：

# -A表示添加一个虚拟服务 -s表示调度schdule rr表示轮询
ipvsadm -A -t 10.68.212.100:80 -s rr
# -a表示添加一个Real Server    -t表示使用TCP协议的服务  -g表示DR模式
# 更多关于 ipvsadm命令选项可以通过man  ipvsadm查阅
ipvsadm -a -t 10.68.212.100:80 -r 10.68.212.102 -g
ipvsadm -a -t 10.68.212.100:80 -r 10.68.212.103 -g

# 查看LVS虚拟服务列表

ipvsadm -ln

至此DR模式搭建完毕，现在可以通过curl命令在其它服务器来刷新试下，效果如下图：

 

for i in {1..10}; do curl 10.68.212.100 ;done

注意，如果直接用浏览器访问的话，LVS会发生轮询不生效的问题，这个原因是：

1、浏览器第一次请求某一个URL时，服务器端的返回状态会是200，内容是你请求的资源，同时有一个Last-Modified的属性标记此文件在服务期端最后被修改的时间，格式类似这样：Last-Modified: Fri, 12 May 2006 18:53:33 GMT

2、客户端第二次请求此URL时，根据 HTTP 协议的规定，浏览器会向服务器传送 If-Modified-Since 报头，询问该时间之后文件是否有被修改过：If-Modified-Since: Fri, 12 May 2006 18:53:33 GMT

3、如果服务器端的资源没有变化，则自动返回 HTTP 304 （Not Changed.）状态码，内容为空，这样就节省了传输数据量。

至此，LVS DR模式4层负载均衡器搭建完毕，下面有几个思考问题：

 

1、LVS解决了Real Server的过载的问题，但是LVS本身存在单点问题，如果LVS挂了，那么整个服务将不可用。

2、目前搭建的LVS无法识别后端Real Server是否存活，如果某个Real Server服务挂掉，那么任何请求到这个Real Server的请求将连接失败，下面是我们停掉node2 httpd服务测试截图：

systemctl stop httpd

可以通过引入keepalived来解决上面的问题，后面有空会继续编写keepalived + LVS实现4层负载均衡的文章。

最后总结：

1、LVS是基于TCP第4层协议也就是IP:PORT级别上实现负载均衡。

2、LVS的搭建有3大模式，NAT模式性能属最差，常用的模式是DR模式。

3、LVS比较适合在不同的数据中心架构上做负载均衡，同一个数据中心内部使用Nginx这种Http URL级别的7层负载均衡器来负载Real Server（Tomcat），LVS负责负载Nginx（Real Server），大致架构图如下：

地理分布LVS集群系统可以带来以下好处：

• 使得用户访问离他们最近的系统，对用户来说体验到更快的响应速度，对服务提供商来说节约网络带宽，降低成本。

• 避免灾难导致系统中止服务。当一个地点发生地震、火灾等使得系统或者网络连接瘫痪时，所有的用户访问可以很快由其他地点的LVS集群来提供。除了已建立的连接中断以外，这一切对用户来说都是透明的。

---------------------- 正文结束 ------------------------

长按扫码关注微信公众号

Java软件编程之家