LVS原理解析
LVS簡介
LVS是Linux Virtual Server的簡寫，即Linux虛擬服務器，是一個虛擬的服務器集群系統。該項目由章文嵩博士成立，是中國國內最早出現的自由軟件項目之一。
使用LVS技術要達到的目標是：通過LVS提供的負載均衡技術和Linux操作系統實現一個高性能、高可用的服務器群集，它具有良好可靠性、可擴展性和可操作性。從而以低廉的成本實現最優的服務性能。
負載均衡技術有很多實現方案，如基於DNS域名輪流解析的方法、基於客戶端調度訪問的方法、基於應用層系統負載的調度方法，還有基於IP地址的調度方法，在這些負載調度算法中，執行效率最高的就是IP負載均衡技術。
LVS的IP負載均衡技術是通過ipvs內核模塊來實現的，ipvs是LVS集群系統的核心軟件，它的主要作用是：安裝在Director Server上，同時在Director Server上虛擬出一個IP地址，用戶必須通過這個虛擬的IP地址訪問集群服務。這個虛擬IP一般稱為LVS的VIP，即Virtual IP。訪問的請求首先經過VIP到達負載調度器，然後由負載調度器從Real Server列表中選取一個服務節點響應用戶的請求。當用戶的請求到達負載調度器後，調度器如何將請求發送到提供服務的Real Server節點，而Real Server節點如何返回數據給用戶，是ipvs實現的重點技術，ipvs實現負載均衡機制有四種，分別是NAT、TUN和DR以及後來經淘寶開發的FullNat。
LVS的工作機制
lvs分為兩個部件：ipvs和ipvsadm
ipvs：工作於內核空間，主要用於使用戶定義的策略生效
ipvsadm：工作於用戶空間，管理集群服務的命令行
如上圖所示，ipvs工作於內核空間的INPUT鏈上，當收到用戶的請求為某集群服務時，通過PREROUTING鏈，經檢查本機路由表，送往INPUT鏈；在進入netfilter的INPUT鏈時，ipvs強行將請求報文通過ipvsadm定義的集群服務策略的路徑改為FORWORD鏈，將報文轉發至後端真實提供服務的主機。
LVS的三種工作類型
LVS有三種工作類型：
NAT：地址轉換
DR：直接路由
TUN：隧道
各類術語介紹：CIP為客戶端IP，VIP為虛擬ip，DIP為Director的ip，RIP為後端服務器的ip
LVS的NAT模型
此模型中，DR需要配置兩個網卡分別為vip(公網地址:114.100.80.10)和Dip（私網地址:101.0.0.10），VIP只需要配置到DR上，而DIP需設置為後端服務器的網關地址。
它的工作機制：
①用戶發出訪問請求，此時源地址：CIP（200.10.10.1），目標地址為VIP（114.100.80.10）；
②當DR收到用戶的請求，並發現該請求為集群服務請求，則運用LVS調度算法選擇後端一臺服務器進行響應，並將請求報文目標地址(vip：114.100.80.10)轉換成經調度算法計算得出的後端主機IP(RIP：10.0.0.1)地址。此時源地址為CIP（200.10.10.1），目標地址轉換為RIP（10.0.0.1）；
③後端主機(RIP：10.0.0.1)收到請求後，對該請求進行響應，並發送報文至DR，此時源地址為RIP（10.0.0.1），目標地址為CIP（200.10.10.1）；
④由於響應的目標地址為CIP（200.10.10.1），後端服務器無法直接響應client，需要DR將源地址(RIP：10.0.0.1)轉換成VIP（114.100.80.10）的地址進行發送響應報文，轉換後源地址為VIP（114.100.80.10），目標地址為CIP（200.10.10.1）；
NAT的特性：
1> RS應該使用私有地址；
2> RS的網關的必須指向DIP；
3> RIP和DIP必須在同一網段內；
4> 請求和響應的報文都得經過Director；在高負載場景中，Director很可能成為系統性能瓶頸；
5> 支持端口映射；
6> RS可以使用任意支持集群服務的OS；
LVS的DR模型
該類型中，DR上依舊配置有DIP和VIP，VIP配置在網卡別名上。每個RS都有自己的RIP以及在回環別名網卡中配置VIP，但是RS的vip隱藏起來，並不接收任何請求，只有在響應客戶端請求時作為源地址使用。
1）client（200.10.10.1）向目標VIP（114.100.80.10）發出請求,通過ARP協議進行廣播，找到DR，Director接收。此時源地址為CIP（200.10.10.1），目標地址為VIP（114.100.80.10）；
2）DR接受請求後，發現該請求為集群服務，LVS根據負載均衡算法選擇一臺active的RS，並通過ARP協議進行廣播獲取RS的MAC（00:0c:29:d2），而後將原來的MAC首部拆除重新封裝，將選中的RS的網卡的mac地址作為目標mac地址。此時源地址為CIP，目標地址VIP，但VIP的MAC地址已經更改為RS的MAC地址。
3）RS在局域網中收到這個幀,拆開後發現目標IP(VIP)與本地匹配,於是處理這個報文.隨後重新封裝報文,發送給客戶端.此時源地址為RS中的VIP，目標地址為CIP。
當我們分析上面兩個網絡模型的數據報時會發現一些問題：
1）由於vip需要在每臺主機中配置，如何保證ARP請求報文不會被交換機或其它網絡設備知道？
2）如何保證ARP通告報文不被交換機或其它網絡設備知道？
3）由於RS只有一個網絡接口，而linux內核默認情況下包封裝時是從哪個網口出去那個網口就是源地址，如何確保RS轉發出來的報文源IP是VIP，而不是RIP？
4）因為DR與RS都配置有相同的VIP，如何避免各主機VIP廣播，造成無法通信？
解決辦法：
1）Linux內核有兩個關於ARP對待請回報文與通告報文的參數（arp_announce/arp_ignore），可以設定相應的級別來規避上述問題中的1、2兩點；
2）對於問題3，我們可以在數據報封裝後指定路由經lo別名上的接口發送出去然後再通過eth0網卡轉發出去；
3）對於問題4，我們只需要設定vip的廣播地址為它自己即可；
DR的特性：
1> 集群節點跟Director必須在同一個物理網絡中；
2> RIP可以為公網地址，實現遠程管理；
3> DR只負責入站請求，響應報文由RS直接發送給客戶端；
4> RS不能將網關指向DIP；
5> 不支持端口映射；
6> RS可以使用任意支持集群服務的OS；
LVS-TUN
在數據包必須傳遞到另一個網絡或因特網上時，可以使用ip隧道，ip隧道能夠將數據包從一個子網或虛擬局域網（VLAN）轉發到另一個子網或虛擬局域網（VLAN），建立ip隧道是Linux內核功能的一部分，LVS-TUN轉發方法允許你將集群節點放在與Director不同的網絡上。
請留意DR將數據包轉發給RS時的IP數據報文；由於DR,RS都不在同一局域網內，而DR要將client請求報文轉發給RS時，DR是直接在數據包中直接添加IP首部（源IP:DR和目標IP:RS），這樣就是隧道技術了。
同樣，該模型下RS都將配置VIP地址，且不能被外界所獲知VIP存在於RS上；
參考：http://junwang.blog.51cto.com/5050337/1439428
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LVS原理解析