1.LVS和負(fù)載均衡簡(jiǎn)介：

LVS是Linux Virtual Server的簡(jiǎn)寫(xiě)，意即Linux虛擬服務(wù)器，是一個(gè)虛擬的服務(wù)器集群系統(tǒng)。

負(fù)載均衡就是有兩臺(tái)或者以上的服務(wù)器或者站點(diǎn)為我們提供服務(wù)，我們將來(lái)自客戶(hù)端的請(qǐng)求靠某種算法盡量平均分?jǐn)偟竭@些集群中，從而避免一臺(tái)服務(wù)器因?yàn)樨?fù)載太高而出現(xiàn)故障。簡(jiǎn)而言之便是將所有的負(fù)載均分到多臺(tái)服務(wù)器中，即使其中某個(gè)出現(xiàn)故障，用戶(hù)也能正常訪問(wèn)，得到服務(wù)。

廣泛使用的是用軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)效果不錯(cuò)，并且不需要成本是很多企業(yè)選擇的方式。

以軟件實(shí)現(xiàn)的負(fù)載均衡有兩種方式：

• 基于應(yīng)用層負(fù)載均衡
• 基于IP層負(fù)載均衡

文章主要就是介紹基于IP層負(fù)載均衡；

2.基于 IP 層負(fù)載均衡：

基于 IP 層負(fù)載均衡：用戶(hù)通過(guò)虛擬 IP 地址（Virtual IP Address）訪問(wèn)服務(wù)時(shí)，訪問(wèn)請(qǐng)求的報(bào)文會(huì)到達(dá)負(fù)載調(diào)度器，由它進(jìn)行負(fù)載均衡調(diào)度，從一組真實(shí)服務(wù)器選出一個(gè)，將報(bào)文處理并轉(zhuǎn)發(fā)給選定服務(wù)器的地址。實(shí)服務(wù)器的回應(yīng)報(bào)文經(jīng)過(guò)負(fù)載調(diào)度器時(shí)，將報(bào)文的源地址和源端口改為 Virtual IP Address 和相應(yīng)的端口，再把報(bào)文發(fā)給用戶(hù)。

而 IP 的負(fù)載技術(shù)有以下三種模式：

• 通過(guò)NAT實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器（VS/NAT）
• 通過(guò)IP隧道實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器（VS/TUN）
• 通過(guò)直接路由實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器（VS/DR）

3.VS/NAT 實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器

由于 IPv4 中 IP 地址空間的日益緊張和安全方面的原因，很多網(wǎng)絡(luò)使用保留 IP 地址（10.0.0.0/255.0.0.0、 172.16.0.0/255.128.0.0和192.168.0.0/255.255.0.0）。這些地址不在 Internet 上使用，而是專(zhuān)門(mén)為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)預(yù)留的。

當(dāng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)要訪問(wèn) Internet 或被 Internet 訪問(wèn)時(shí)，就需要采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)NAT），將內(nèi)部地址轉(zhuǎn)化為 Internet 上可用的外部地址。

NAT 的工作原理是報(bào)文頭（目標(biāo)地址、源地址和端口等）被正確改寫(xiě)后，客戶(hù)相信 它們連接一個(gè) IP 地址，而不同 IP 地址的服務(wù)器組也認(rèn)為它們是與客戶(hù)直接相連的。由此，可以用 NAT 方法將不同 IP 地址的并行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)變成在一個(gè)IP地址上的一個(gè)虛擬服務(wù)。

VS/NAT（Virtual Server via Network Address Translation）實(shí)現(xiàn)的虛擬服務(wù)器是這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)，主要經(jīng)過(guò)這樣的一些步驟：

LVS-NAT

• 客戶(hù)端通過(guò) Internet 向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，而請(qǐng)求的 IP 地址指向的是調(diào)度器上對(duì)外公布的 IP 地址；（因?yàn)樗⒉皇钦嬲幚碚?qǐng)求的服務(wù)器 IP 地址，所以稱(chēng)之為 虛擬 IP 地址，簡(jiǎn)稱(chēng)為 VIP，Virtual IP Address）
• 請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)調(diào)度器（Load Balancer），調(diào)度器根據(jù)調(diào)度算法從一組真實(shí)的服務(wù)器（因?yàn)樗麄兪钦嬲幚碛脩?hù)請(qǐng)求的服務(wù)器，所以稱(chēng)為真實(shí)服務(wù)器，Real server。其 IP 地址也被稱(chēng)為真實(shí) IP，簡(jiǎn)稱(chēng)為 RIP）中選出一臺(tái)當(dāng)前負(fù)載不高的服務(wù)器。然后將客戶(hù)端的請(qǐng)求報(bào)文中的目標(biāo)地址（Load Balancer 的 VIP）和端口通過(guò) iptables 的 NAT 改寫(xiě)為選定服務(wù)器的 IP 地址和服務(wù)的端口。最后將修改后的報(bào)文發(fā)送給選出的服務(wù)器。同時(shí)，調(diào)度器在連接Hash 表中記錄這個(gè)連接；當(dāng)這個(gè)連接的下一個(gè)報(bào)文到達(dá)時(shí)，從連接Hash表中可以得到原選定服務(wù)器的地址和端口，進(jìn)行同樣的改寫(xiě)操作，并將報(bào)文傳給原選定的服務(wù)器。
• Real Server 接收到報(bào)文之后，做出了響應(yīng)的處理，然后將響應(yīng)的報(bào)文發(fā)送給 Load Balancer；
• Load Balancer 接收到響應(yīng)的報(bào)文時(shí)，將報(bào)文的源地址和源端口改為Virtual IP Address和相應(yīng)的端口，再把報(bào)文發(fā)給用戶(hù)。

這樣，客戶(hù)所看到的只是在 Virtual IP Address 上提供的服務(wù)，而服務(wù)器集群的結(jié)構(gòu)對(duì)用戶(hù)是透明的。

下面，舉個(gè)例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明VS/NAT，如圖所示：

NAT-eg

VS/NAT 的配置如下表所示，所有到IP地址為205.100.106.2和端口為80的流量都被負(fù)載均衡地調(diào)度的真實(shí)服務(wù)器172.16.1.3:80和 172.16.1.4:8080上。目標(biāo)地址為205.100.106.2:21的報(bào)文被轉(zhuǎn)移到172.16.1.3:21上。而到其他端口的報(bào)文將被拒絕。

當(dāng)客戶(hù)端訪問(wèn)Web服務(wù)的時(shí)候，報(bào)文中可能有以下的源地址和目標(biāo)地址：

報(bào)文到達(dá)調(diào)度器之后，調(diào)度器從調(diào)度列表中選出一臺(tái)服務(wù)器，例如是172.16.1.4:8080。該報(bào)文會(huì)被改寫(xiě)為如下地址，并將它發(fā)送給選出的服務(wù)器。

Real Server 收到修改后的報(bào)文之后，做出響應(yīng)，然后將響應(yīng)報(bào)文返回到調(diào)度器，報(bào)文如下：

響應(yīng)報(bào)文的源地址會(huì)被 Load Balacer 改寫(xiě)為虛擬服務(wù)的地址，再將報(bào)文發(fā)送給客戶(hù)：

這樣，客戶(hù)認(rèn)為是從202.103.106.5:80服務(wù)得到正確的響應(yīng)，而不會(huì)知道該請(qǐng)求是 Real Server1 還是 Real Server2 處理的。

這便是 VS/NAT 的處理數(shù)據(jù)包的整個(gè)過(guò)程，它有這樣的一些特點(diǎn)：

• 集群節(jié)點(diǎn)，也就是 Real Server 與 Load Balacer 必須在同一個(gè) IP 網(wǎng)絡(luò)中
• Load Balancer 位于 Real Server 與客戶(hù)端之間，處理進(jìn)出的所有通信
• RIP 通常是私有地址，僅用于各個(gè)集群節(jié)點(diǎn)之間的通信。
• Real Server 的網(wǎng)關(guān)必須指向 Load Balancer
• 支持端口映射：也就是Real Server 的端口可以自己設(shè)定，沒(méi)有必須是與 Load Balancer 一樣

VS/NAT 的優(yōu)勢(shì)在于可以做到端口映射，但是 Load Balancer 將可能成為集群的瓶頸。因?yàn)樗械某鋈雸?bào)文都需要 Load Balancer 處理，請(qǐng)求報(bào)文較小不是問(wèn)題，但是響應(yīng)報(bào)文往往較大，都需要 NAT 轉(zhuǎn)換的話(huà)，大流量的時(shí)候，Load Balancer 將會(huì)處理不過(guò)來(lái)。一般使用 VS/NAT 的話(huà)，處理 Real Server 數(shù)量達(dá)到 10~20 臺(tái)左右將是極限，并且效率往往不高。

4.VS/DR 實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器

在VS/NAT 的集群系統(tǒng)中，請(qǐng)求和響應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文都需要通過(guò)負(fù)載調(diào)度器，當(dāng)真實(shí)服務(wù)器的數(shù)目在10臺(tái)和20臺(tái)之間時(shí)，負(fù)載調(diào)度器將成為整個(gè)集群系統(tǒng)的新瓶頸。大多數(shù) Internet服務(wù)都有這樣的特點(diǎn)：請(qǐng)求報(bào)文較短而響應(yīng)報(bào)文往往包含大量的數(shù)據(jù)。

既然同時(shí)處理進(jìn)出報(bào)文會(huì)大大的影響效率，增加機(jī)器的負(fù)載，那么若是僅僅處理進(jìn)來(lái)的報(bào)文，即在負(fù)載調(diào)度器中只負(fù)責(zé)調(diào)度請(qǐng)求,而出去的報(bào)文由 Real Server 直接發(fā)給客戶(hù)端這樣豈不是高效許多。

VS/DR（Virtual Server via Direct Routing）利用大多數(shù)Internet服務(wù)的非對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，負(fù)載調(diào)度器中只負(fù)責(zé)調(diào)度請(qǐng)求，而服務(wù)器直接將響應(yīng)返回給客戶(hù)，可以極大地提高整個(gè)集群 系統(tǒng)的吞吐量。

VS/DR 實(shí)現(xiàn)的虛擬服務(wù)器是這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)，主要經(jīng)過(guò)這樣的一些步驟：

DR-sturct

• 客戶(hù)端通過(guò) Internet 向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，而請(qǐng)求的 IP 地址指向的是調(diào)度器上對(duì)外公布的 IP 地址；
• 請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)調(diào)度器（Load Balancer），調(diào)度器根據(jù)各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地選擇一臺(tái)服務(wù)器，不修改也不封裝IP報(bào)文，而是將數(shù)據(jù)幀的MAC地址改為選出服務(wù)器的MAC地址，再將修改后 的數(shù)據(jù)幀在與服務(wù)器組的局域網(wǎng)上發(fā)送。因?yàn)閿?shù)據(jù)幀的MAC地址是選出的服務(wù)器，所以服務(wù)器肯定可以收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀；
• Real Server 接收到報(bào)文之后，發(fā)現(xiàn)報(bào)文的目標(biāo)地址 VIP 是在本地的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，服務(wù)器處理這個(gè)報(bào)文，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)報(bào)文直接返回給客戶(hù)。

change-MAC

在VS/DR中，根據(jù)缺省的TCP/IP協(xié)議棧處理，請(qǐng)求報(bào)文的目標(biāo)地址為VIP，響應(yīng)報(bào)文的源地址肯定也為VIP，所以響應(yīng)報(bào)文不需要作任何修改，可以直接返回給客戶(hù)，客戶(hù)認(rèn)為得到正常的服務(wù)，而不會(huì)知道是哪一臺(tái)服務(wù)器處理的。

這便是 VS/DR 的處理數(shù)據(jù)包的整個(gè)過(guò)程，它有這樣的一些特點(diǎn)：

• 集群節(jié)點(diǎn)，也就是 Real Server 與 Load Balacer 必須在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中（若是不同網(wǎng)段的話(huà)結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜）
• RIP 通常是私有地址，也可以是公網(wǎng)地址，以便于遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控。
• Load Balancer 僅僅負(fù)責(zé)處理入站的請(qǐng)求，Real Server 將直接響應(yīng)客戶(hù)端
• Real Server 的網(wǎng)關(guān)不能指向 Load Balancer
• 不支持端口映射：也就是Real Server 的端口必須是與 Load Balancer 對(duì)外服務(wù)的一樣

5.VS/TUN 實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器

VS/DR 限制 Real Server 與 Load Balancer 必須在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中，那若是分散在各地豈不是無(wú)法使用？所以有了 VS/TUN（Virtual Server via IP Tunneling）的誕生。

IP隧道（IP tunneling）是將一個(gè)IP報(bào)文封裝在另一個(gè)IP報(bào)文的技術(shù)，這可以使得目標(biāo)為一個(gè)IP地址的數(shù)據(jù)報(bào)文能被封裝和轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)IP地址。IP隧道技術(shù)亦稱(chēng)為IP封裝技術(shù)（IP encapsulation）。IP隧道主要用于移動(dòng)主機(jī)和虛擬私有網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network），在其中隧道都是靜態(tài)建立的，隧道一端有一個(gè)IP地址，另一端也有唯一的IP地址。

我們利用IP隧道技術(shù)將請(qǐng)求報(bào)文封裝轉(zhuǎn)發(fā)給后端服務(wù)器，響應(yīng)報(bào)文能從后端服務(wù)器直接返回給客戶(hù)。但在這里，后端服務(wù)器有一組而非一個(gè)，所以我們不可能靜態(tài)地建立一一對(duì)應(yīng)的隧道，而是動(dòng)態(tài)地選擇 一臺(tái)服務(wù)器，將請(qǐng)求報(bào)文封裝和轉(zhuǎn)發(fā)給選出的服務(wù)器。這樣，我們可以利用IP隧道的原理將一組服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組成在一個(gè)IP地址上的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 VS/TUN的體系結(jié)構(gòu)如圖所示，各個(gè)服務(wù)器將VIP地址配置在自己的IP隧道設(shè)備上。

Tunnel-sturct

它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT中的一樣，只是它的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方法不同。調(diào)度器根據(jù)各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地選擇一臺(tái)服務(wù)器， 將請(qǐng)求報(bào)文封裝在另一個(gè) IP 報(bào)文中，再將封裝后的 IP 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給選出的服務(wù)器；服務(wù)器收到報(bào)文后，先將報(bào)文解封獲得原來(lái)目標(biāo)地址為 VI P的報(bào)文，服務(wù)器發(fā)現(xiàn)VIP地址被配置在本地的 IP隧道設(shè)備上，所以就處理這個(gè)請(qǐng)求，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)報(bào)文直接返回給客戶(hù)。

這便是 VS/TUN 的處理數(shù)據(jù)包的整個(gè)過(guò)程，它有這樣的一些特點(diǎn)：

• 集群節(jié)點(diǎn)，也就是 Real Server 與 Load Balacer 可以跨越公網(wǎng)
• RIP 必須是公網(wǎng)地址。
• Load Balancer 僅僅負(fù)責(zé)處理入站的請(qǐng)求，Real Server 將直接響應(yīng)客戶(hù)端
• Real Server 的網(wǎng)關(guān)不能指向 Load Balancer
• 不支持端口映射：也就是Real Server 的端口必須是與 Load Balancer 對(duì)外服務(wù)的一樣

這便是 LVS 所提供的 IP 負(fù)載均衡的三種技術(shù)，我們可以根據(jù)自己的情況做出不同的選擇。