LVS 原理和nat DR 模式配置介绍

工作原理 ：VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转 发至某RS，根据调度算法来挑选RS 。
lvs集群类型中的术语:

 VS：Virtual Server, Director, Dispatcher(调度器)  Load Balancer  RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx) backend server(haproxy)  CIP：Client IP  VIP: Virtual serve IP        VS外网的IP  DIP: Director IP             VS内网的IP  RIP: Real server IP         访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP 

lvs集群的类型
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

lvs-nat：
本质是多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某挑出的RS的RIP和PORT实现转发
（1）RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP
（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈
（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT
（4）VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统
CIP——>VIP===DIP—–>RIP RIP===>DIP—->CIP 是做目标地址转换。
tcpdump -i ens39 -e -nn src 172.18.1.100 and tcp

LVS-DR模式
LVS-DR：Direct Routing，直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP
所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变
Director和各RS都配置有VIP
(1) 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director
在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址

(2)在RS上使用arptables工具  arptables -A IN -d $VIP -j DROP     arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP 

(3)  在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别   arp_announce   arp_ignore 

(2) RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与 DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文 不会经由Director
(3) RS和Director要在同一个物理网络
(4) 请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而 由RS直接发往Client
(5) 不支持端口映射（端口不能修败）
(6) RS可使用大多数OS系统
lvs-fullnat 和 lvs-tun 模式使用很少，这里不做详细介绍了。
lvs-nat与lvs-fullnat：请求和响应报文都经由Director
lvs-nat： RIP的网关要指向DIP
lvs-fullnat： RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信
lvs-dr与lvs-tun：请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
lvs-tun：通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信

ipvs scheduler：
根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态
一：静态方法：仅根据算法本身进行调度
1、RR：roundrobin，轮询
2、WRR：Weighted RR，加权轮询
3、SH：Source Hashing，实现session sticky，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的 RS，从而实现会话绑定
4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，将发往同一 个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景 是正向代理缓存场景中的负载均衡，如：宽带运营商
二：动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value 较小的RS将被调度
1、LC：least connections 适用于长连接应用Overhead=activeconns*256+inactiveconns
2、WLC：Weighted LC，默认调度方法 Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight
3、SED：Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先Overhead=(activeconns+1)*256/weight
4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED
5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理
6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC 解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS

ipvsadm命令：
通过ipvsadm 可以集群服务管理：增、删、改，查看

ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [--pe persistence_engine] [-b sched-flags]  ipvsadm -D -t|u|f service-address 删除  ipvsadm –C  清空  ipvsadm –R  重载  ipvsadm -S [-n]  保存  ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [options]  ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address   增、改：    ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]   删除：        ipvsadm -D -t|u|f service-address service-address：        -t|u|f：              -t: TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT              -u: TCP协议的端口，VIP:UDP_PORT              -f：firewall MARK，标记，一个数字   [-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc   增、改：ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r      server-address [-g|i|m] [-w weight]   删：ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address   选项：        lvs类型：               -g: gateway, dr类型，默认               -i: ipip, tun类型               -m: masquerade, nat类型         -w weight：权重   清空定义的所有内容：ipvsadm –C   清空计数器：ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]   查看：ipvsadm -L|l [options]              --numeric, -n：以数字形式输出地址和端口号              --exact：扩展信息，精确值              --connection，-c：当前IPVS连接输出              --stats：统计信息              --rate ：输出速率信息   ipvs规则： /proc/net/ip_vs   ipvs连接：/proc/net/ip_vs_conn 保存及重载规则    保存：建议保存至/etc/sysconfig/ipvsadm         ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE         ipvsadm -S > /PATH/TO/IPVSADM_FILE         systemctl stop ipvsadm.service    重载：         ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE         ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE         systemctl restart ipvsadm.service 

LVS-NAT 模式配置举例：
lvsnat 模式配置很简单，只需要在VS 上配置对服务的转发既可。下面举例 VIP 为 172.18.251.157 ，realserver 的ip 为 192.168.10.30 和 192.168.10.33 的 http 的nat 模式配置。
VS配置：
[root@VS yum.repos.d]#ipvsadm -A -t 172.18.251.157:80 -s rr -p 3000
[root@VS yum.repos.d]#ipvsadm -a -t 172.18.251.157:80 -r 192.168.10.30 -m
[root@VS yum.repos.d]#ipvsadm -a -t 172.18.251.157:80 -r 192.168.10.33 -m
[root@VS yum.repos.d]#ipvsadm -Ln #查看
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 172.18.251.157:80 rr persistent 3000
-> 192.168.10.30:80 Masq 1 0 0
-> 192.168.10.33:80 Masq 1 0 0

LVS-DR 模式配置举例：
DR模式下数据流程说明：
client 发起请求到达vs—–>VS 经过自身的调度算法分配到后面的真实服务器—->服务器的回包经过路由器——>路由器回包给客户端，完成通信。这样做的好处是减轻了VS 的压力。
dr模型中，各主机上均需要配置VIP，解决地址冲突的方式有三种，推荐使用第三种方法。
(1) 在前端网关做静态绑定
(2) 在各RS使用arptables
(3) 在各RS修改内核参数，来限制arp响应和通告的级别
限制响应级别：arp_ignore
0：默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应
1: 仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文的接口上时,才给予响应
限制通告级别：arp_announce
0：默认值，把本机所有接口的所有信息向每个接口的网络进行通告
1：尽量避免将接口信息向非直接连接网络进行通告
2：必须避免将接口信息向非本网络进行通告
下面举例 vip 为 172.18.1.100 ，后台rip 分别为192.168.1.33 和 192.168.1.30 配置。

RS的预配置脚本

#!/bin/bash vip=172.18.1.100mask='255.255.255.255' dev=lo:1 case $1 in start)               echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore               echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore               echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce               echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce                             ifconfig $dev $vip netmask $mask broadcast $vip up               echo "The RS Server is Ready!"              ;; stop)               ifconfig $dev down               echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore               echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore               echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce               echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce               ;; *)                echo "Usage: $(basename $0) start|stop"               exit 1               ;; esac 

VS的配置脚本

#!/bin/bash vip='172.18.1.100' iface='eth1' mask='255.255.255.255' port='80' rs1='192.168.1.33' rs2='192.168.1.30' scheduler='wrr' type='-g' case $1 in start)               ifconfig $iface $vip netmask $mask broadcast $vip up               iptables -F               ipvsadm -A -t ${vip}:${port} -s $scheduler               ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs1} $type -w 1               ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs2} $type -w 1               ;; stop)               ipvsadm -C               ifconfig $iface down               ;; *)               echo "Usage $(basename $0) start|stop";exit 1               ;; esac 

测试：
客户端发起请求后，在 VS 上执行 ipvsadm -Ln 观察调度情况。

[root@VS ~]#ipvsadm -LnIP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConnTCP  172.18.1.100:80 wrr  -> 192.168.1.30:80              Route   1      0          1           -> 192.168.1.33:80              Route   1      0          2