一、LVS介绍
LVS负载均衡是Linux Virtual Server的缩写,属于网络服务领域的负载均衡技术,主要用于构建高性能、高可用的服务器集群系统。其核心是通过IP负载均衡技术将客户端请求分发到多台后端服务器,实现服务的可扩展性和容错能力。
LVS包含三种主流技术:VS/NAT基于网络地址转换实现,通过调度器修改报文地址完成负载均衡,但受限于调度器性能;VS/TUN采用IP隧道技术,允许服务器直接响应客户端,提升系统吞吐量;VS/DR通过直接路由机制,在数据链路层转发请求,进一步降低调度开销。三者分别适用于不同网络环境和服务器规模,其中VS/TUN和VS/DR因减少调度器瓶颈,可支持上百台服务器协同工作。
该技术起源于早期基于RR-DNS的轮询负载均衡方案,后为解决NAT模式性能限制和网络服务非对称性问题,逐步发展出分层架构。通过结合IP隧道、直接路由等协议特性,LVS形成规模化集群解决方案,成为现代分布式系统中实现虚拟网络服务的重要基础设施。
二、LVS分层及组成
LVS负载均衡分为3层:
第一层:负载调度器(load balancer/Director),它是整个集群的总代理,它在有两个网卡,一个网卡面对访问网站的客户端,
一个网卡面对整个集群的内部。负责将客户端的请求发送到一组服务器上执行,而客户也认为服务是来自这台主的。举个生动的例子,集群是个公司,负载调度器就是在外接揽生意,将接揽到的生意分发给后台的真正干活的真正的主机们。当然需要将活按照一定的算法分发下去,让大家都公平的干活。
第二层:服务器池(server pool/ Realserver),是一组真正执行客户请求的服务器,可以当做WEB服务器。
第三层:共享存储(sharedstorage),它为服务器池提供一个共享的存储区,这样很容易使得服务器池拥有相同的内容,提供相同的服务。一个公司得有一个后台账目吧,这才能协调。不然客户把钱付给了A,而换B接待客户,因为没有相同的账目。B说客户没付钱,那这样就不是客户体验度的问题了。
三、LVS工作模式
lvs-nat:修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT
lvs-dr: 操纵封装新的MAC地址
lvs-tun:在原请求IP报文之外新加一个IP首部
lvs-fullnat: 修改请求报文的源和目标IP
1、基于NAT的LVS模式负载均衡
NAT(Network Address Translation)即网络地址转换,其作用是通过数据报头的修改,使得位于企业内部的私有IP地址可以访问外网,以及外部用用户可以访问位于公司内部的私有IP主机。VS/NAT工作模式拓扑结构如图2所示,LVS负载调度器可以使用两块网卡配置不同的IP地址,eth0设置为私钥IP与内部网络通过交换设备相互连接,eth1设备为外网IP与外部网络联通。
第一步,用户通过互联网DNS服务器解析到公司负载均衡设备上面的外网地址,相对于真实服务器而言,LVS外网IP又称VIP(Virtual IP Address),用户通过访问VIP,即可连接后端的真实服务器(Real Server),而这一切对用户而言都是透明的,用户以为自己访问的就是真实服务器,但他并不知道自己访问的VIP仅仅是一个调度器,也不清楚后端的真实服务器到底在哪里、有多少真实服务器。
第二步,用户将请求发送至124.126.147.168,此时LVS将根据预设的算法选择后端的一台真实服务器(192.168.0.1~192.168.0.3),将数据请求包转发给真实服务器,并且在转发之前LVS会修改数据包中的目标地址以及目标端口,目标地址与目标端口将被修改为选出的真实服务器IP地址以及相应的端口。
第三步,真实的服务器将响应数据包返回给LVS调度器,调度器在得到响应的数据包后会将源地址和源端口修改为VIP及调度器相应的端口,修改完成后,由调度器将响应数据包发送回终端用户,另外,由于LVS调度器有一个连接Hash表,该表中会记录连接请求及转发信息,当同一个连接的下一个数据包发送给调度器时,从该Hash表中可以直接找到之前的连接记录,并根据记录信息选出相同的真实服务器及端口信息。

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 DIP必须有公网IP
缺陷:对Director Server压力会比较大,请求和响应都需经过director server
2、基于TUN的LVS负载均衡
在LVS(NAT)模式的集群环境中,由于所有的数据请求及响应的数据包都需要经过LVS调度器转发,如果后端服务器的数量大于10台,则调度器就会成为整个集群环境的瓶颈。我们知道,数据请求包往往远小于响应数据包的大小。因为响应数据包中包含有客户需要的具体数据,所以LVS(TUN)的思路就是将请求与响应数据分离,让调度器仅处理数据请求,而让真实服务器响应数据包直接返回给客户端。VS/TUN工作模式拓扑结构如图所示。其中,IP隧道(IP tunning)是一种数据包封装技术,它可以将原始数据包封装并添加新的包头(内容包括新的源地址及端口、目标地址及端口),从而实现将一个目标为调度器的VIP地址的数据包封装,通过隧道转发给后端的真实服务器(Real Server),通过将客户端发往调度器的原始数据包封装,并在其基础上添加新的数据包头(修改目标地址为调度器选择出来的真实服务器的IP地址及对应端口),LVS(TUN)模式要求真实服务器可以直接与外部网络连接,真实服务器在收到请求数据包后直接给客户端主机响应数据。

(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 (c) 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
和DR模式差不多,但是比DR多了一个隧道技术以支持realserver不在同一个物理环境中。就是realserver一个在北京,一个工作在上海。
LVS-TUN的特点 1. RIP、VIP、DIP全是公网地址 2.RS的网关不会也不可能指向DIP 3.不支持端口映射
4.RS的系统必须支持隧道
3、基于DR的LVS负载均衡
在LVS(TUN)模式下,由于需要在LVS调度器与真实服务器之间创建隧道连接,这同样会增加服务器的负担。与LVS(TUN)类似,DR模式也叫直接路由模式,该模式中LVS依然仅承担数据的入站请求以及根据算法选出合理的真实服务器,最终由后端真实服务器负责将响应数据包发送返回给客户端。
与隧道模式不同的是,直接路由模式(DR模式)要求调度器与后端服务器必须在同一个局域网内,VIP地址需要在调度器与后端所有的服务器间共享,因为最终的真实服务器给客户端回应数据包时需要设置源IP为VIP地址,目标IP为客户端IP,这样客户端访问的是调度器的VIP地址,回应的源地址也依然是该VIP地址(真实服务器上的VIP),客户端是感觉不到后端服务器存在的。由于多台计算机都设置了同样一个VIP地址,所以在直接路由模式中要求调度器的VIP地址是对外可见的,客户端需要将请求数据包发送到调度器主机,而所有的真实服务器的VIP地址必须配置在Non-ARP的网络设备上,也就是该网络设备并不会向外广播自己的MAC及对应的IP地址,真实服务器的VIP对外界是不可见的,但真实服务器却可以接受目标地址VIP的网络请求,并在回应数据包时将源地址设置为该VIP地址。调度器根据算法在选出真实服务器后,在不修改数据报文的情况下,将数据帧的MAC地址修改为选出的真实服务器的MAC地址,通过交换机将该数据帧发给真实服务器。整个过程中,真实服务器的VIP不需要对外界可见。

LVS/DR原理和特点
重将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址 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 REROUTING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 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。 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 响应报文最终送达至客户端
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
四、LVS负载均衡实现
4.1、LVS-NAT模式实现
4.1.1环境准备
准备好四台虚拟机且网卡设置如下:
LVS->nat+仅主机
client->nat
两台server->仅主机
Server配置:
在两台真实服务器上安装httpd服务:

并且在网页中写入内容

LVS配置:
1> 在LVS上启用内核路由功能,并实现两张网卡可以互通,并且客户机和内网主机可以互通


2> 创建虚拟服务
2.1>先在LVS下载ipvsadm

2.2>添加虚拟服务器(LVS的IP),添加后端(两个server的IP)

最后在客户机上进行测试

4.2、LVS-DR模式实现
环境准备:
内网主机IP配置:

对内网主机设定lo不对外相应:

客户端网端设置为路由器IP:

LVS配置:

在lvs上编写路由策略:

路由器配置:
路由器IP设置:



打开地址伪装
![]()
验证结果:

964

被折叠的 条评论
为什么被折叠?



