LVS工作原理以及三种工作模式详解

2023-12-05 22:01:51

一、负载均衡LVS基本介绍

LB集群的架构和原理很简单，就是当用户的请求过来时，会直接分发到Director Server上，然后它把用户的请求根据设置好的调度算法，智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样，需要用到了共享存储，这样保证所有用户请求的数据是一样的。

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，它的官方网是 http://www.linuxvirtualserver.org 现在 LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分。使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统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。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。

二、LVS的基本工作原理

当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间
PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链
IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链
POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

三、LVS的组成

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

**ipvs(ip virtual server)：**一段代码工作在内核空间，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。
**ipvsadm：**另外一段是工作在用户空间，叫ipvsadm，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)

四、LVS相关术语

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

五、LVS/NAT原理和特点

1. 重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变

(a). 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
(b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
©. 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，然后将数据包发至POSTROUTING链。此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP
(d). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server
(e). Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
(f). Director Server在响应客户端前，此时会将源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模型的特性

RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP

DIP和RIP必须在同一个网段内

请求和响应报文都需要经过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈

支持端口映射

RS可以使用任意操作系统

缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server

六、LVS/DR原理和特点

1.重点将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址

(a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
© IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址
(d) 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。
(e) RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
(f) 响应报文最终送达至客户端

2. LVS-DR模型的特性

特点1：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

RS可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对RIP进行直接访问

RS跟Director Server必须在同一个物理网络中

所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server

不支持地址转换，也不支持端口映射

RS可以是大多数常见的操作系统

RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)

RS上的lo接口配置VIP的IP地址

缺陷：RS和DS必须在同一机房中

3. 特点1的解决方案：

在前端路由器做静态地址路由绑定，将对于VIP的地址仅路由到Director Server

存在问题：用户未必有路由操作权限，因为有可能是运营商提供的，所以这个方法未必实用

arptables：在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则，过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的

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。

七、LVS/Tun原理和特点

1.在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IIP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP)

(a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
© IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(d) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。此时源IP为DIP，目标IP为RIP
(e) RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
(f) 响应报文最终送达至客户端

2.LVS-Tun模型特性

RIP、VIP、DIP全是公网地址
RS的网关不会也不可能指向DIP
所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
不支持端口映射
RS的系统必须支持隧道
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。

LVS-实战：搭建HTTP负载均衡集群

1. 搭建lvs-dr模式的http负载集群

环境说明：

LVS服务器（DR）	DIP：192.168.153.139	VIP：192.168.153.250
apache服务器（RS）	IP：192.168.153.152	VIP：192.168.153.250
apache服务器（RS）	IP：192.168.153.153	VIP：192.168.153.250

三台机器分别配置了对应的本地静态地址DIP和RIP，VIP之后配置

1.1 LVS上配置IP

[root@localhost ~]# ip addr add 192.168.153.250/32 dev ens160 
[root@localhost ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:76:89:99 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.153.139/24 brd 192.168.153.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
       valid_lft 1236sec preferred_lft 1236sec
    inet 192.168.153.250/32 scope global ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::fded:f7d3:4269:f476/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: virbr0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:4c:c5:83 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.122.1/24 brd 192.168.122.255 scope global virbr0
       valid_lft forever preferred_lft forever
4: virbr0-nic: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc fq_codel master virbr0 state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:4c:c5:83 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

1.2 RS上配置arp内核参数

[root@RS-1 ~]# vim /etc/sysctl.conf 
#添加以下两行
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
# 将对应网卡设置为只回应目标IP为自身接口地址的ARP请求
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
# 将ARP请求的源IP设置为eth0上的IP，也就是RIP

[root@RS-1 ~]# sysctl -p
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

##两台RS都要进行以上操作
[root@RS-2 ~]# echo 'net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1' >> /etc/sysctl.conf 
[root@RS-2 ~]# echo 'net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2' >> /etc/sysctl.conf 
[root@RS-2 ~]# sysctl -p
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

1.3 RS上配置VIP

一定要先设置好内核参数在配置VIP，如果先配置VIP，VIP配置好后会立即通告给所有人，而修改内核参数就是为了不通告

LVS服务器的eth0网卡的IP:192.168.32.250作为VIP

两台RS上都要做

[root@RS-1 ~]# ip addr add 192.168.153.250/32 dev lo
[root@RS-2 ~]# ip addr add 192.168.153.250/32 dev lo
#永久生效在配置文件中加IP

所有RS上都要做

[root@RS-1 ~]# route add -host 192.168.32.250/32 dev lo
#永久配置
echo '192.168.153.250/32 via dev lo' > /etc/sysconfig/network-scripts/route-lo
		

[root@RS-2 ~]# route add -host 192.168.153.250/32 dev lo

1.4 DR上配置lvs-dr转发规则

#LVS依赖于ipvsadm来进行配置，所以我们首先先安装ipvsadm
[root@DR ~]# yum -y install ipvsadm

[root@DR ~]# ipvsadm -A -t 192.168.153.250:80 -s rr
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.152:80 -g
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.153:80 -g
[root@DR ~]# ipvsadm -Sn
-A -t 192.168.153.250:80 -s rr
-a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.152:80 -g -w 1
-a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.153:80 -g -w 1

[root@DR ~]# ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm

1.5 RS上配置http并启动

[root@RS-1 ~]# yum -y install httpd
[root@RS-1 ~]# echo 'rs1' > /var/www/html/index.html
[root@RS-1 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.


[root@RS-2 ~]# yum -y install httpd
[root@RS-2 ~]# echo 'rs1' > /var/www/html/index.html
[root@RS-2 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.

1.6 客户端访问测试

[root@localhost ~]# for i in $(seq 10);do curl 192.168.153.250:80;done
rs2
rs1
rs2
rs1
rs2
rs1
rs2
rs1
rs2
rs1

2. 搭建lvs-nat模式的http负载集群

部署环境

LVS服务器（DR）	DIP：192.168.153.139	VIP：192.168.153.250
apache服务器（RS1）	IP：192.168.153.154	网关为DR网关
apache服务器（RS2）	IP：192.168.153.153	网关为DR网关

2.1 关闭防火墙和seLinux

[root@DR ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
 setenforce 0

[root@RS1 ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@RS1 ~]# setenforce 0

[root@RS2 ~]# systemctl disable --now firewalld
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@RS2 ~]# setenforce 0

2.2 配置 DR的VIP

[root@DR ~]# ip addr add 192.168.153.250/24 dev ens160 
[root@DR ~]# ip  a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:76:89:99 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.153.139/24 brd 192.168.153.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
       valid_lft 1087sec preferred_lft 1087sec
    inet 192.168.153.250/24 scope global secondary ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::fded:f7d3:4269:f476/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: virbr0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:4c:c5:83 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.122.1/24 brd 192.168.122.255 scope global virbr0
       valid_lft forever preferred_lft forever
4: virbr0-nic: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc fq_codel master virbr0 state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:4c:c5:83 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

[root@DR ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160 #查看DR的网关
TYPE="Ethernet"
BOOTPROTO="static"
NAME="ens160"
DEVICE="ens160"
ONBOOT="yes"
IPADDR=192.168.153.139
GATEWAY=192.168.153.2
NETMASK=255.255.255.0
DNS1=114.114.114.114

2.3 下载httpd并修改显示内容

[root@RS1 ~]# yum -y install httpd
[root@RS1 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.

[root@RS1 ~]# echo "hello ！ 192.168.153.154" > /usr/share/httpd/noindex/index
.html
[root@RS1 ~]# systemctl restart httpd

[root@RS2 ~]# yum -y install httpd
[root@RS2 ~]# systemctl enable --now httpd
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service → /usr/lib/systemd/system/httpd.service.
[root@RS2 ~]# echo "hello ！ 192.168.153.153" > /usr/share/httpd/noindex/index.html
[root@RS2 ~]# systemctl restart httpd

2.4 配置 RS1网关为DR网关


[root@RS1 ~]# sed -ri 's/^(GATEWAY=).*/\1192.168.153.2/' /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
[root@RS1 ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
TYPE="Ethernet"
BOOTPROTO="static"
NAME="ens160"
DEVICE="ens160"
ONBOOT="yes"
IPADDR=192.168.153.154
GATEWAY=192.168.153.2
NETMASK=255.255.255.0
DNS1=114.114.114.114

2.5 配置 RS2网关为DR网关

[root@RS2 ~]# sed -ri 's/^(GATEWAY=).*/\1192.168.153.2/' /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
[root@RS2 ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
TYPE="Ethernet"
BOOTPROTO="static"
NAME="ens160"
DEVICE="ens160"
ONBOOT="yes"
IPADDR=192.168.153.153
GATEWAY=192.168.153.2
NETMASK=255.255.255.0
DNS1=114.114.114.114

2.6 DR上配置转发规则

#LVS依赖于ipvsadm来进行配置，所以首先安装ipvsadm
[root@DR ~]# yum -y install ipvsadm

#开启转发功能
[root@DR ~]# vi /etc/sysctl.conf
[root@DR ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1

# 配置转发规则
[root@DR ~]# ipvsadm -A -t 192.168.153.250:80 -s rr
[root@DR ~]# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.153.250:80 rr
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.154:80 -m
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.153:80 -m
[root@DR ~]# ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@DR ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm
-A -t 192.168.153.250:80 -s rr
-a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.153:80 -m -w 1
-a -t 192.168.153.250:80 -r 192.168.153.154:80 -m -w 1

2.7客户端测试

[root@DR ~]# for i in $(seq 10);do curl 192.168.153.250:80;done
hello ！ 192.168.153.153
hello ！ 192.168.153.154
hello ！ 192.168.153.153
hello ！ 192.168.153.154
hello ！ 192.168.153.153
hello ！ 192.168.153.154
hello ！ 192.168.153.153
hello ！ 192.168.153.154
hello ！ 192.168.153.153
hello ！ 192.168.153.154

码农公寓