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LVS的DR、NAT模式實作http負載均衡

2021-10-16 08:37:40 軟體設計

文章目錄

  • 一、lvs的三種模式及其原理
    • 1.1 LVS簡介
    • 1.2 三種LVS作業模式詳細
      • NAT
      • DR
      • TUN
  • 二、實體
    • DR模式
    • NAT模式

一、lvs的三種模式及其原理

1.1 LVS簡介

LVS（linux virtual server）是linux虛擬服務器，目前LVS模塊已經被集成在linux內核中了，該專案在linux內核中實作了基于ip的資料請求負載均衡調度方案，終端互聯網用戶從外部訪問公司的外部負載均衡服務器，終端用戶的web請求會發送給LVS調度器，調度器根據自己欲設演算法將該請求發送給后端的某臺web服務器，比如輪詢調度法，一共有8中調度方法，LVS作業模式可以分為NAT模式、TUN模式和DR模式，

1.2 三種LVS作業模式詳細

NAT

在這里插入圖片描述

實作原理程序

① 用戶請求資料包經過層層網路，到達 lvs 網卡，此時資料包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 VIP，

② 經過網卡進入網路層 prerouting 位置，根據目的 IP 查找路由，確認是本機 IP，將資料包轉發到 INPUT 上，此時源、目的 IP 都未發生變化，

③ 到達 lvs 后，通過目的 IP 和目的 port 查找是否為 IPVS 服務，若是 IPVS 服務，則會選擇一個 RS 作為后端服務器，將資料包目的 IP 修改為 RIP，并以 RIP 為目的 IP 查找路由資訊，確定下一跳和出口資訊，將資料包轉發至 output 上，

④ 修改后的資料包經過 postrouting 和鏈路層處理后，到達 RS 服務器，此時的資料包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 RIP，

⑤ 到達 RS 服務器的資料包經過鏈路層和網路層檢查后，被送往用戶空間 nginx 程式，nginx 程式處理完畢，發送回應資料包，由于 RS 上默認網關配置為 lvs 設備 IP，所以 nginx 服務器會將資料包轉發至下一跳，也就是 lvs 服務器，此時資料包源 IP 是 RIP，目的 IP 是 CIP，

⑥ lvs 服務器收到 RS 回應資料包后，根據路由查找，發現目的 IP 不是本機 IP，且 lvs 服務器開啟了轉發模式，所以將資料包轉發給 forward 鏈，此時資料包未作修改，

⑦ lvs 收到回應資料包后，根據目的 IP 和目的 port 查找服務和連接表，將源 IP 改為 VIP，通過路由查找，確定下一跳和出口資訊，將資料包發送至網關，經過復雜的網路到達用戶客戶端，最終完成了一次請求和回應的互動，

NAT 模式雙向流量都經過 LVS，因此 NAT 模式性能會存在一定的瓶頸，不過與其它模式區別的是，NAT 支持埠映射，且支持 windows 作業系統，

DR

在這里插入圖片描述
其實 DR 是最常用的作業模式，因為它的強大的性能，下邊以一次請求和回應資料流的程序來描述 DR 模式的具體原理，

實作原理程序

① 當客戶端請求 www.sina.com.cn 主頁，經過 DNS 決議到 IP 后，向新浪服務器發送請求資料，資料包經過層層網路到達新浪負載均衡 LVS 服務器，到達 LVS 網卡時的資料包：源 IP 是客戶端 IP 地址 CIP，目的 IP 是新浪對外的服務器 IP 地址，也就是 VIP；此時源 MAC 地址是 CMAC，其實是 LVS 連接的路由器的 MAC 地址（為了容易理解記為 CMAC），目標 MAC 地址是 VIP 對應的 MAC，記為 VMAC，

② 資料包到達網卡后，經過鏈路層到達 PREROUTING 位置（剛進入網路層），查找路由發現目的 IP 是 LVS 的 VIP，就會遞送到 INPUT 鏈上，此時資料包 MAC、IP、Port 都沒有修改，

③ 資料包到達 INPUT 鏈，INPUT 是 LVS 主要作業的位置，此時 LVS 會根據目的 IP 和 Port 來確認是否是 LVS 定義的服務，如果是定義過的 VIP 服務，就會根據配置的 Service 資訊，從 RealServer 中選擇一個作為后端服務器 RS1，然后以 RS1 作為目標查找 Out 方向的路由，確定一下跳資訊以及資料包要通過哪個網卡發出，最后將資料包通過 INET_HOOK 到 OUTPUT 鏈上（Out 方向剛從四層進入網路層），

④ 資料包通過 POSTROUTING 鏈后，從網路層轉到鏈路層，將目的 MAC 地址修改為 RealServer 服務器 MAC 地址，記為 RMAC；而源 MAC 地址修改為 LVS 與 RS 同網段的 selfIP 對應的 MAC 地址，記為 DMAC，此時，資料包通過交換機轉發給了 RealServer 服務器（注：為了簡單圖中沒有畫交換機），

⑤ 請求資料包到達 RealServer 服務器后，鏈路層檢查目的 MAC 是自己網卡地址，到了網路層，查找路由，目的 IP 是 VIP（lo 上配置了 VIP），判定是本地主機的資料包，經過協議堆疊后拷貝至應用程式（比如這里是 nginx 服務器），nginx 回應請求后，產生回應資料包，以目的 VIP 為 dst 查找 Out 路由，確定嚇一跳資訊和發送網卡設備資訊，發送資料包，此時資料包源、目的 IP 分別是 VIP、CIP，而源 MAC 地址是 RS1 的 RMAC，目的 MAC 是下一跳（路由器）的 MAC 地址，記為 CMAC（為了容易理解，記為 CMAC），然后資料包通過 RS 相連的路由器轉發給真正客戶端，

從整個程序可以看出，DR 模式 LVS 邏輯非常簡單，資料包通過路由方式直接轉發給 RS，而且回應資料包是由 RS 服務器直接發送給客戶端，不經過 LVS，我們知道一般請求資料包會比較小，回應報文較大，經過 LVS 的資料包基本上都是小包，上述幾條因素是 LVS 的 DR 模式性能強大的主要原因，

TUN

在這里插入圖片描述
實作原理與程序

① 用戶請求資料包經過多層網路，到達 lvs 網卡，此時資料包源 IP 是 cip，目的 ip 是 vip，

② 經過網卡進入網路層 prerouting 位置，根據目的 ip 查找路由，確認是本機 ip，將資料包轉發到 input 鏈上，到達 lvs，此時源、目的 ip 都未發生變化，

③ 到達 lvs 后，通過目的 ip 和目的 port 查找是否為 IPVS 服務，若是 IPVS 服務，則會選擇一個 rs 作為后端服務器，以 rip 為目的 ip 查找路由資訊，確定下一跳、dev 等資訊，然后 IP 頭部前邊額外增加了一個 IP 頭（以 dip 為源，rip 為目的 ip），將資料包轉發至 output 上，

④ 資料包根據路由資訊經最終經過 lvs 網卡，發送至路由器網關，通過網路到達后端服務器，

⑤ 后端服務器收到資料包后，ipip 模塊將 Tunnel 頭部卸載，正常看到的源 ip 是 cip，目的 ip 是 vip，由于在 tunl0 上配置 vip，路由查找后判定為本機 ip，送往應用程式，應用程式 nginx 正常回應資料后以 vip 為源 ip，cip 為目的 ip 資料包發送出網卡，最終到達客戶端，

Tunnel 模式具備 DR 模式的高性能，又支持跨機房訪問，聽起來比較完美了，

二、實體

// 在調度器主機上面過濾ipvs
[root@DR ~]# grep -iA 2 'ipvs' /boot/config-4.18.0-193.el8.x86_64
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_IPVS=m
# CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_L2TP is not set
CONFIG_NETFILTER_XT_MATCH_LENGTH=m
--
# IPVS transport protocol load balancing support
#
CONFIG_IP_VS_PROTO_TCP=y
--
# IPVS scheduler
#
CONFIG_IP_VS_RR=m
--
# IPVS SH scheduler
#
CONFIG_IP_VS_SH_TAB_BITS=8
--
# IPVS MH scheduler
#
CONFIG_IP_VS_MH_TAB_INDEX=12
--
# IPVS application helper
#
CONFIG_IP_VS_FTP=m
有ipvs，證明支持lvs

環境說明：

主機名DipVip職責
DR192.168.91.132192.168.58.200調度器
RS1192.168.91.133服務器（RS）
RS2192.168.91.135服務器（RS）

DR模式

準備作業：

DR

//關閉防火墻和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.
[root@DR ~]# vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled

[root@DR ~]# setenforce 0
[root@DR ~]# reboot

//添加一個臨時網卡作為"Vip"
[root@DR ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 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:cd:a4:aa brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.91.132/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
       valid_lft 1572sec preferred_lft 1572sec
    inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f1de:a72e:4bf:9503/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever

//下載ipvsadm
[root@DR ~]# yum -y install ipvsadm

RS1

// 關閉防火墻和selinux
[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 ~]# vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled
[root@RS1 ~]# reboot

// 下載httpd服務，添加網頁內容
[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 ~]# ss -antl
State  Recv-Q Send-Q Local Address:Port   Peer Address:Port Process                                                     
LISTEN 0      128          0.0.0.0:22          0.0.0.0:*                                                                
LISTEN 0      128                *:80                *:*                                                                
LISTEN 0      128             [::]:22             [::]:*                                  [root@RS1 ~]# echo "amu" > /var/www/html/index.html                              
[root@RS1 ~]# curl 127.0.0.1
amu

RS2

// 關閉防火墻和selinux
[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 ~]# vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled
[root@RS2 ~]# reboot

// 下載httpd服務，添加網頁內容
[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 ~]# ss -antl
State  Recv-Q Send-Q Local Address:Port   Peer Address:Port Process                                                     
LISTEN 0      128          0.0.0.0:22          0.0.0.0:*                                                                
LISTEN 0      128                *:80                *:*                                                                
LISTEN 0      128             [::]:22             [::]:*                                                                
[root@RS2 ~]# echo "gf" > /var/www/html/index.html
[root@RS2 ~]# curl 127.0.0.1
gf

RS1，RS2上配置apr內核引數

RS配置apr內核引數

[root@RS1 ~]# cat /etc/sysctl.conf   # 末尾添加兩行
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1  # 將對應網卡設定為只回應目標IP為自身介面地址的ARP請求
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 設定RIP

[root@RS1 ~]# sysctl -p
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

[root@RS2 ~]# cat /etc/sysctl.conf   # 末尾添加兩行
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1  # 將對應網卡設定為只回應目標IP為自身介面地址的ARP請求
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 # 設定RIP

[root@RS2 ~]# sysctl -p
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

RS1,RS2上配置VIP

// RS1添加臨時網卡設立Vip 
[root@RS1 ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 dev ens160
[root@RS1 ~]# 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:29:9f:8b:bc brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.91.133/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
       valid_lft 1656sec preferred_lft 1656sec
    inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::d7db:4688:7fc5:fbcc/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever

// RS2添加臨時網卡設立Vip 
[root@RS2 ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 dev ens32
[root@RS2 ~]# 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: ens32: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:5b:3b:74 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.91.135/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens32
       valid_lft 958sec preferred_lft 958sec
    inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens32
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::29db:511:eca0:9fec/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever

DR 上配置轉發規則


DR

[root@DR ~]# ipvsadm -A -t 192.168.91.200:80 -s rr
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -g
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -g
[root@DR ~]# ipvsadm -Sn
-A -t 192.168.91.200:80 -s rr
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -g -w 1
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -g -w 1
[root@DR ~]# ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm

請添加圖片描述
在這里插入圖片描述

NAT模式

環境說明：

主機名DipVip職責
DR192.168.91.132192.168.58.200調度器
RS1192.168.91.133DR網關服務器（RS）
RS2192.168.91.135DR網關服務器（RS）

準備作業

DR

//關閉防火墻和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.
[root@DR ~]# vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled

[root@DR ~]# setenforce 0
[root@DR ~]# reboot

//添加一個臨時網卡作為"Vip"
[root@DR ~]# ip addr add 192.168.91.200/24 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:cd:a4:aa brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.91.132/24 brd 192.168.91.255 scope global dynamic noprefixroute ens160
       valid_lft 1572sec preferred_lft 1572sec
    inet 192.168.91.200/24 scope global secondary ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f1de:a72e:4bf:9503/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever

//下載ipvsadm
[root@DR ~]# yum -y install ipvsadm

// 查看DR網關
[root@DR ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160 
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=dhcp
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens160
UUID=ff6e1ed4-e92b-413e-804c-480e5ddd7fb3
DEVICE=ens160
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.91.132
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.91.2   //網關
DNS1=114.114.114.114
IPV6_PRIVACY=no


RS1

// 關閉防火墻和selinux
[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 ~]# vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled
[root@RS1 ~]# reboot

// 下載httpd服務，添加網頁內容
[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 ~]# ss -antl
State  Recv-Q Send-Q Local Address:Port   Peer Address:Port Process                                                     
LISTEN 0      128          0.0.0.0:22          0.0.0.0:*                                                                
LISTEN 0      128                *:80                *:*                                                                
LISTEN 0      128             [::]:22             [::]:*                                  [root@RS1 ~]# echo "amu hello" > /var/www/html/index.html                              
[root@RS1 ~]# curl 127.0.0.1
amu hello

RS2

// 關閉防火墻和selinux
[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 ~]# vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled
[root@RS2 ~]# reboot

// 下載httpd服務，添加網頁內容
[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 ~]# ss -antl
State  Recv-Q Send-Q Local Address:Port   Peer Address:Port Process                                                     
LISTEN 0      128          0.0.0.0:22          0.0.0.0:*                                                                
LISTEN 0      128                *:80                *:*                                                                
LISTEN 0      128             [::]:22             [::]:*                                                                
[root@RS2 ~]# echo "gf hello" > /var/www/html/index.html
[root@RS2 ~]# curl 127.0.0.1
gf hello

配置RS主機網關

RS1

[root@RS1 ~]# sed -ri 's/^(GATEWAY=).*/\192.168.91.2/' /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
[root@RS1 ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160 
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=none
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens160
UUID=37a2c72f-e00b-4c82-b130-867e4b827d54
DEVICE=ens160
ONBOOT=no
IPADDR=192.168.91.133
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.91.2
DNS1=114.114.114.114
IPV6_PRIVACY=no

RS2

[root@RS2 ~]# sed -ri 's/^(GATEWAY=).*/\192.168.91.2/' /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens32
[root@RS2 ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=none
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens32
UUID=324fa695-5716-4706-84ec-6b2777061c43"
DEVICE=ens32
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.91.135
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.91.2
DNS1=114.114.114.114
IPV6_PRIVACY=no

DR上配置轉發規則

##DR

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

# 配置轉發規則
[root@DR ~]# ipvsadm -A -t 192.168.91.200:80 -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  192.168.91.200:80 rr

[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -m
[root@DR ~]# ipvsadm -a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -m

[root@DR ~]# ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@DR ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm
-A -t 192.168.91.200:80 -s rr
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.133:80 -m -w 1
-a -t 192.168.91.200:80 -r 192.168.91.135:80 -m -w 1

檢測

[root@DR ~]# curl 192.168.91.133
amu hello
[root@DR ~]# curl 192.168.91.135
gf hello

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