LVS概述以及三种模式(NAT,TUN,DR)的详解

1.LVS概述

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,使用负载均衡技术将多台服务器组成一个虚拟服务器。它为适应快速增长的网络访问需求提供了一个负载能力易于扩展,而价格低廉的解决方案。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自由软件项目之一。Internet的快速增长使多媒体网络服务器面对的访问数量快速增加,服务器需要具备提供大量并发访问服务的能力,因此对于大负载的服务器来讲, CPU、I/O处理能力很快会成为瓶颈。由于单台服务器的性能总是有限的,简单的提高硬件性能并不能真正解决这个问题。为此,必须采用多服务器和负载均衡技术才能满足大量并发访问的需要。

2.LVS的结构

针对高可伸缩、高可用网络服务的需求,我们给出了基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法,并在Linux内核中实现了这些方法,将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。

虚拟服务器的体系结构如下图所示,一组服务器通过高速的局域网或者地理分布的广域网相互连接,在它们的前端有一个负载调度器(Load Balancer)。负载调度器能无缝地将网络请求调度到真实服务器上,从而使得服务器集群的结构对客户是透明的,客户访问集群系统提供的网络服务就像访问一台高性能、高可用的服务器一样。客户程序不受服务器集群的影响不需作任何修改。系统的伸缩性通过在服务机群中透明地加入和删除一个节点来达到,通过检测节点或服务进程故障和正确地重置系统达到高可用性。由于我们的负载调度技术是在Linux内核中实现的,我们称之为Linux虚拟服务器(Linux Virtual Server)。

 

3.IP虚拟服务器软件IPVS

在调度器的实现技术中,IP负载均衡技术是效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中有通过网络地址转换(Network Address Translation)将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器,我们称之为VS/NAT技术(Virtual Server via Network Address Translation),大多数商品化的IP负载均衡调度器产品都是使用此方法,如Cisco的LocalDirector、F5的Big/IP和Alteon的ACEDirector。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上,我们提出通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN(Virtual Server via IP Tunneling),和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR(Virtual Server via Direct Routing),它们可以极大地提高系统的伸缩性。所以,IPVS软件实现了这三种IP负载均衡技术,它们的大致原理如下(我们将在其他章节对其工作原理进行详细描述)

3.1Virtual Server via Network Address Translation(VS/NAT)

通过网络地址转换,调度器重写请求报文的目标地址,根据预设的调度算法,将请求分派给后端的真实服务器;真实服务器的响应报文通过调度器时,报文的源地址被重写,再返回给客户,完成整个负载调度过程。

3.2Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)

采用NAT技术时,由于请求和响应报文都必须经过调度器地址重写,当客户请求越来越多时,调度器的处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题,调度器把请求报 文通过IP隧道转发至真实服务器,而真实服务器将响应直接返回给客户,所以调度器只处理请求报文。由于一般网络服务应答比请求报文大许多,采用 VS/TUN技术后,集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。

3.3Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)

VS/DR通过改写请求报文的MAC地址,将请求发送到真实服务器,而真实服务器将响应直接返回给客户。同VS/TUN技术一样,VS/DR技术可极大地 提高集群系统的伸缩性。这种方法没有IP隧道的开销,对集群中的真实服务器也没有必须支持IP隧道协议的要求,但是要求调度器与真实服务器都有一块网卡连 在同一物理网段上。

4.三种模型详解

4.1NAT模型

 

原理图简述:

  1. 客户端请求数据,目标IP为VIP
  2. 请求数据到达LB负载均衡服务器(以下简称LB),LB根据调度算法将目的地址修改为RIP地址及对应端口(此RIP地址是根据调度算法得出的)并在连接HASH表中记录下这个连接。
  3. 数据包从LB服务器到达RS服务器RS3
  4. 然后RS3进行响应。RS3的网关必须是LB的内网IP也就是DIP,然后将数据返回给LB服务器。
  5. LB收到RS的返回后的数据,根据连接HASH表修改源地址VIP&目标地址CIP,及对应端口80.然后数据就从LB出发到达客户端。
  6. 客户端收到的就只能看到VIP\CIP信息。

NAT模式总结:

  1. NAT技术将请求的报文和响应的报文都需要通过LB进行地址重写,因此当客户请求越来越多网站访问量比较大的时候LB负载均衡调度器就会遇到的瓶颈,一般要求最多只能10-20台节点
  2. 只需要在LB上配置一个公网IP地址就可以了。
  3. 每台内部的节点服务器的网关地址必须是调度器LB的内网地址。
  4. NAT模式支持对IP地址和端口进行转换。即用户请求的端口和真实服务器的端口可以不一致。

4.2​​​​​​​TUN模型:

原理图简述:

  1. 客户请求数据包,目标地址VIP发送到LB上。
  2. LB接收到客户请求包,进行IP Tunnel封装。即在原有的包头加上IP Tunnel的包头。然后发送出去。
  3. RS节点服务器根据IP Tunnel包头信息(此时就又一种逻辑上的隐形隧道,只有LB和RS之间懂)收到请求包,然后解开IP Tunnel包头信息,得到客户的请求包并进行响应处理。
  4. 响应处理完毕之后,RS服务器使用自己的出公网的线路,将这个响应数据包发送给客户端。源IP地址还是VIP地址。
  5. 客户端收到数据

4.3DR模型:​​​​​​​

Virtual Server via direct routing (vs/dr) DR模式是通过改写请求报文的目标MAC地址,将请求发给真实服务器的,而真实服务器响应后的处理结果直接返回给客户端用户。同TUN模式一 样,DR模式可以极大的提高集群系统的伸缩性。而且DR模式没有IP隧道的开销,对集群中的真实服务器也没有必要必须支持IP隧道协议的要求。但是要求调 度器LB与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上,必须在同一个局域网环境。DR模式是互联网使用比较多的一种模式。 

DR模式原理:

 

 

 

VS/DR模式的工作流程图如上图所示,它的连接调度和管理与NAT和TUN中的一样,它的报文转发方法和前两种不同。

  1. DR模式将报文直接路由给目标LB负载均衡服务器。
  2. LB负载均衡服务器根据各个真实服务器的负载情况,连接数多少等,动态地选择一台服务器,不修改目标IP地址和目标端口,也不封装IP报文,而是将请求报文的数据帧的目标MAC地址改为真实服务器的MAC地址。
  3. 然后再将修改的数据帧在服务器组的局域网上发送。因为数据帧的MAC地址是真实 服务器的MAC地址,并且又在同一个局域网。那么根据局域网的通讯原理,真实服务器是一定能够收到由LB发出的数据包。真实服务器接收到请求数据包的时候, 解开IP包头查看到的目标IP是VIP。(此时只有自己的IP符合目标IP才会接收进来,所以我们需要在本地的回环接口上面配置VIP。另:由于网络接口都会进行ARP广播响应,但集群的其他机器都有这个VIP的lo接口,都响应就会冲突。所以我们需要把真实服务器的lo接口的ARP响应关闭掉,这里我们使用arptables)
  4. 然后真实服务器做成请求响应,之后根据自己的路由信息将这个响应数据包发送回给客户,并且源IP地址还是VIP。

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