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負載均衡由來
在業務初期，我們一般會先使用單臺伺服器對外提供服務。隨著業務流量越來越大，單臺伺服器無論如何優化，無論採用多好的硬體，總會有效能天花板，當單伺服器的效能無法滿足業務需求時，就需要把多臺伺服器組成集群系統提高整體的處理效能。
基於上述需求，我們要使用統一的流量入口來對外提供服務，本質上就是需要一個流量排程器，通過均衡的演算法，將使用者大量的請求流量均衡地分發到叢集中不同的伺服器上。這其實就是我們今天要說的負載均衡。
使用負載均衡可以給我們帶來的幾個好處：
- 提高了系統的整體效能；
- 提高了系統的擴充套件性；
- 提高了系統的可用性；
負載均衡型別
廣義上的負載均衡器大概可以分為 3 類，包括：DNS 方式實現負載均衡、硬體負載均衡、軟體負載均衡。
（一）DNS 實現負載均衡
DNS 實現負載均衡是最基礎簡單的方式。一個域名通過 DNS 解析到多個 IP，每個 IP 對應不同的伺服器例項，這樣就完成了流量的排程，雖然沒有使用常規的負載均衡器，但實現了簡單的負載均衡功能。
通過 DNS 實現負載均衡的方式，最大的優點就是實現簡單，成本低，無需自己開發或維護負載均衡裝置，不過存在一些缺點：
- 伺服器故障切換延遲大，伺服器升級不方便。我們知道 DNS 與使用者之間是層層的快取，即便是在故障發生時及時通過 DNS 修改或摘除故障伺服器，但中間經過運營商的 DNS 快取，且快取很有可能不遵循 TTL 規則，導致 DNS 生效時間變得非常緩慢，有時候一天後還會有些許的請求流量。
- 流量排程不均衡，粒度太粗。DNS 排程的均衡性，受地區運營商 LocalDNS 返回 IP 列表的策略有關係，有的運營商並不會輪詢返回多個不同的 IP 地址。另外，某個運營商 LocalDNS 背後服務了多少使用者，這也會構成流量排程不均的重要因素。
- 流量分配策略太簡單，支援的演算法太少。DNS 一般只支援
rr的輪詢方式，流量分配策略比較簡單，不支援權重、Hash 等排程演算法。 - DNS 支援的 IP 列表有限制。我們知道 DNS 使用 UDP 報文進行資訊傳遞，每個 UDP 報文大小受鏈路的 MTU 限制，所以報文中儲存的 IP 地址數量也是非常有限的，阿里 DNS 系統針對同一個域名支援配置 10 個不同的 IP 地址。
實際上生產環境中很少使用這種方式來實現負載均衡，畢竟缺點很明顯。文中之所以描述 DNS 負載均衡方式，是為了能夠更清楚地解釋負載均衡的概念。
像 BAT 體量的公司一般會利用 DNS 來實現地理級別的全域性負載均衡，實現就近訪問，提高訪問速度，這種方式一般是入口流量的基礎負載均衡，下層會有更專業的負載均衡裝置實現的負載架構。
（二）硬體負載均衡
硬體負載均衡是通過專門的硬體裝置來實現負載均衡功能，是專用的負載均衡裝置。目前業界典型的硬體負載均衡裝置有兩款：F5 和 A10。
這類裝置效能強勁、功能強大，但價格非常昂貴，一般只有土豪公司才會使用此類裝置，中小公司一般負擔不起，業務量沒那麼大，用這些裝置也是挺浪費的。
硬體負載均衡的優點：
- 功能強大：全面支援各層級的負載均衡，支援全面的負載均衡演算法。
- 效能強大：效能遠超常見的軟體負載均衡器。
- 穩定性高：商用硬體負載均衡，經過了良好的嚴格測試，經過大規模使用，穩定性高。
- 安全防護：還具備防火牆、防 DDoS 攻擊等安全功能，以及支援 SNAT 功能。
硬體負載均衡的缺點也很明顯：
- 價格貴；
- 擴充套件性差，無法進行擴充套件和定製；
- 除錯和維護比較麻煩，需要專業人員；
（三）軟體負載均衡
軟體負載均衡，可以在普通的伺服器上執行負載均衡軟體，實現負載均衡功能。目前常見的有 Nginx、HAproxy、LVS。其中的區別：
Nginx：七層負載均衡，支援 HTTP、E-mail 協議，同時也支援 4 層負載均衡；HAproxy：支援七層規則的，效能也很不錯。OpenStack 預設使用的負載均衡軟體就是 HAproxy；LVS：執行在核心態，效能是軟體負載均衡中最高的，嚴格來說工作在三層，所以更通用一些，適用各種應用服務。
軟體負載均衡的優點：
- 易操作：無論是部署還是維護都相對比較簡單；
- 便宜：只需要伺服器的成本，軟體是免費的；
- 靈活：4 層和 7 層負載均衡可以根據業務特點進行選擇，方便進行擴充套件和定製功能。
負載均衡LVS
軟體負載均衡主要包括：Nginx、HAproxy 和 LVS，三款軟體都比較常用。四層負載均衡基本上都會使用 LVS，據瞭解 BAT 等大廠都是 LVS 重度使用者，就是因為 LVS 非常出色的效能，能為公司節省巨大的成本。
LVS，全稱 Linux Virtual Server 是由國人章文嵩博士發起的一個開源的專案，在社群具有很大的熱度，是一個基於四層、具有強大效能的反向代理伺服器。
它現在是標準核心的一部分，它具備可靠性、高效能、可擴充套件性和可操作性的特點，從而以低廉的成本實現最優的效能。
Netfilter基礎原理
LVS 是基於 Linux 核心中 netfilter 框架實現的負載均衡功能，所以要學習 LVS 之前必須要先簡單瞭解 netfilter 基本工作原理。netfilter 其實很複雜，平時我們說的 Linux 防火牆就是 netfilter，不過我們平時操作的都是 iptables，iptables 只是使用者空間編寫和傳遞規則的工具而已，真正工作的是 netfilter。通過下圖可以簡單瞭解下 netfilter 的工作機制：
netfilter 是核心態的 Linux 防火牆機制，作為一個通用、抽象的框架，提供了一整套的 hook 函式管理機制，提供諸如資料包過濾、網路地址轉換、基於協議型別的連線跟蹤的功能。
通俗點講，就是 netfilter 提供一種機制，可以在資料包流經過程中，根據規則設定若干個關卡（hook 函式）來執行相關的操作。netfilter 總共設定了 5 個點，包括：PREROUTING、INPUT、FORWARD、OUTPUT、POSTROUTING
PREROUTING：剛剛進入網路層，還未進行路由查詢的包，通過此處INPUT：通過路由查詢，確定發往本機的包，通過此處FORWARD：經路由查詢後，要轉發的包，在POST_ROUTING之前OUTPUT：從本機程序剛發出的包，通過此處POSTROUTING：進入網路層已經經過路由查詢，確定轉發，將要離開本裝置的包，通過此處
當一個數據包進入網絡卡，經過鏈路層之後進入網路層就會到達 PREROUTING，接著根據目標 IP 地址進行路由查詢，如果目標 IP 是本機，資料包繼續傳遞到 INPUT 上，經過協議棧後根據埠將資料送到相應的應用程式。
應用程式處理請求後將響應資料包傳送到 OUTPUT 上，最終通過 POSTROUTING 後傳送出網絡卡。
如果目標 IP 不是本機，而且伺服器開啟了 forward 引數，就會將資料包遞送給 FORWARD 上，最後通過 POSTROUTING 後傳送出網絡卡。
LVS基礎原理
LVS 是基於 netfilter 框架，主要工作於 INPUT 鏈上，在 INPUT 上註冊 ip_vs_in HOOK 函式，進行 IPVS 主流程，大概原理如圖所示：
- 當用戶訪問 www.sina.com.cn 時，使用者資料通過層層網路，最後通過交換機進入 LVS 伺服器網絡卡，並進入核心網路層。
- 進入 PREROUTING 後經過路由查詢，確定訪問的目的 VIP 是本機 IP 地址，所以資料包進入到 INPUT 鏈上
- LVS 是工作在 INPUT 鏈上，會根據訪問的
IP:Port判斷請求是否是 LVS 服務，如果是則進行 LVS 主流程，強行修改資料包的相關資料，並將資料包發往 POSTROUTING 鏈上。 - POSTROUTING 上收到資料包後，根據目標 IP 地址（後端真實伺服器），通過路由選路，將資料包最終發往後端的伺服器上。
開源 LVS 版本有 3 種工作模式，每種模式工作原理都不同，每種模式都有自己的優缺點和不同的應用場景，包括以下三種模式：
DR模式NAT模式Tunnel模式
這裡必須要提另外一種模式是 FullNAT，這個模式在開源版本中是模式沒有的。這個模式最早起源於百度，後來又在阿里發揚光大，由阿里團隊開源，程式碼地址如下：
- https://github.com/alibaba/lvs
LVS 官網也有相關下載地址，不過並沒有合進到核心主線版本。
後面會有專門章節詳細介紹 FullNAT 模式。下邊分別就 DR、NAT、Tunnel 模式分別詳細介紹原理。
DR 模式實現原理
LVS 基本原理圖中描述的比較簡單，表述的是比較通用流程。下邊會針對 DR 模式的具體實現原理，詳細的闡述 DR 模式是如何工作的。
其實 DR 是最常用的工作模式，因為它的強大的效能。下邊試圖以某個請求和響應資料流的過程來描述 DR 模式的工作原理
（一）實現原理過程
① 當客戶端請求 www.sina.com.cn 主頁，請求資料包穿過網路到達 Sina 的 LVS 伺服器網絡卡：源 IP 是客戶端 IP 地址 CIP，目的 IP 是新浪對外的伺服器 IP 地址，也就是 VIP；此時源 MAC 地址是 CMAC，其實是 LVS 連線的路由器的 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 資料包經過鏈路層到達 PREROUTING 位置（剛進入網路層），查詢路由發現目的 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 主要工作的位置。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，就會根據配置資訊，從真實伺服器列表 中選擇一個作為 RS1，然後以 RS1 作為目標查詢 Out 方向的路由，確定一下跳資訊以及資料包要通過哪個網絡卡發出。最後將資料包投遞到 OUTPUT 鏈上。
④ 資料包通過 POSTROUTING 鏈後，從網路層轉到鏈路層，將目的 MAC 地址修改為 RealServer 伺服器 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 伺服器（注：為了簡單圖中沒有畫交換機）。
⑤ 請求資料包到達後端真實伺服器後，鏈路層檢查目的 MAC 是自己網絡卡地址。到了網路層，查詢路由，目的 IP 是 VIP（lo 上配置了 VIP），判定是本地主機的資料包，經過協議棧拷貝至應用程式（比如 nginx 伺服器），nginx 響應請求後，產生響應資料包。
然後以 CIP 查找出方向的路由，確定下一跳資訊和傳送網絡卡裝置資訊。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）。然後資料包通過 RS 相連的路由器轉發給真正客戶端，完成了請求響應的全過程。
從整個過程可以看出，DR 模式 LVS 邏輯比較簡單，資料包通過直接路由方式轉發給後端伺服器，而且響應資料包是由 RS 伺服器直接傳送給客戶端，不經過 LVS。
我們知道通常請求資料包會比較小，響應報文較大，經過 LVS 的資料包基本上都是小包，所以這也是 LVS 的 DR 模式效能強大的主要原因。
（二）優缺點和使用場景
- DR 模式的優點
- 響應資料不經過 lvs，效能高
- 對資料包修改小，資訊儲存完整（攜帶客戶端源 IP）
- DR 模式的缺點
- lvs 與 rs 必須在同一個物理網路（不支援跨機房）
- 伺服器上必須配置 lo 和其它核心引數
- 不支援埠對映
- DR 模式的使用場景
如果對效能要求非常高，可以首選 DR 模式，而且可以透傳客戶端源 IP 地址。
NAT 模式實現原理
lvs 的第 2 種工作模式是 NAT 模式，下圖詳細介紹了資料包從客戶端進入 lvs 後轉發到 rs，後經 rs 再次將響應資料轉發給 lvs，由 lvs 將資料包回覆給客戶端的整個過程。
（一）實現原理與過程
①使用者請求資料包經過層層網路，到達 lvs 網絡卡，此時資料包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 VIP。
② 經過網絡卡進入網路層 prerouting 位置，根據目的 IP 查詢路由，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 後，通過目的 IP 和目的 port 查詢是否為 IPVS 服務。若是 IPVS 服務，則會選擇一個 RS 作為後端伺服器，將資料包目的 IP 修改為 RIP，並以 RIP 為目的 IP 查詢路由資訊，確定下一跳和出口資訊，將資料包轉發至 output 上。
④修改後的資料包經過 postrouting 和鏈路層處理後，到達 RS 伺服器，此時的資料包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 RIP。
⑤到達 RS 伺服器的資料包經過鏈路層和網路層檢查後，被送往使用者空間 nginx 程式。nginx 程式處理完畢，傳送響應資料包，由於 RS 上預設閘道器配置為 lvs 裝置 IP，所以 nginx 伺服器會將資料包轉發至下一跳，也就是 lvs 伺服器。此時資料包源 IP 是 RIP，目的 IP 是 CIP。
⑥lvs 伺服器收到 RS 響應資料包後，根據路由查詢，發現目的 IP 不是本機 IP，且 lvs 伺服器開啟了轉發模式，所以將資料包轉發給 forward 鏈，此時資料包未作修改。
⑦lvs 收到響應資料包後，根據目的 IP 和目的 port 查詢服務和連線表，將源 IP 改為 VIP，通過路由查詢，確定下一跳和出口資訊，將資料包傳送至閘道器，經過複雜的網路到達使用者客戶端，最終完成了一次請求和響應的互動。
NAT 模式雙向流量都經過 LVS，因此 NAT 模式效能會存在一定的瓶頸。不過與其它模式區別的是，NAT 支援埠對映，且支援 windows 作業系統。
（二）優點、缺點與使用場景
- NAT 模式優點
- 能夠支援 windows 作業系統
- 支援埠對映。如果 rs 埠與 vport 不一致，lvs 除了修改目的 IP，也會修改 dport 以支援埠對映。
- NAT 模式缺點
- 後端 RS 需要配置閘道器
- 雙向流量對 lvs 負載壓力比較大
- NAT 模式的使用場景
如果你是 windows 系統，使用 lvs 的話，則必須選擇 NAT 模式了。
Tunnel 模式實現原理
Tunnel 模式在國內使用的比較少，不過據說騰訊使用了大量的 Tunnel 模式。它也是一種單臂的模式，只有請求資料會經過 lvs，響應資料直接從後端伺服器傳送給客戶端，效能也很強大，同時支援跨機房。下邊繼續看圖分析原理。
（一）實現原理與過程
①使用者請求資料包經過多層網路，到達 lvs 網絡卡，此時資料包源 IP 是 cip，目的 ip 是 vip。
②經過網絡卡進入網路層 prerouting 位置，根據目的 ip 查詢路由，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 後，通過目的 ip 和目的 port 查詢是否為 IPVS 服務。若是 IPVS 服務，則會選擇一個 rs 作為後端伺服器，以 rip 為目的 ip 查詢路由資訊，確定下一跳、dev 等資訊，然後 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 網絡卡，傳送至路由器閘道器，通過網路到達後端伺服器。
⑤後端伺服器收到資料包後，ipip 模組將 Tunnel 頭部解除安裝，正常看到的源 ip 是 cip，目的 ip 是 vip，由於在 tunl0 上配置 vip，路由查詢後判定為本機 ip，送往應用程式。應用程式 nginx 正常響應資料後以 vip 為源 ip，cip 為目的 ip 資料包傳送出網絡卡，最終到達客戶端。
Tunnel 模式具備 DR 模式的高效能，又支援跨機房訪問，聽起來比較完美。不過國內運營商有一定特色性，比如 RS 的響應資料包的源 IP 為 VIP，VIP 與後端伺服器有可能存在跨運營商的情況，很有可能被運營商的策略封掉，Tunnel 在生產環境確實沒有使用過，在國內推行 Tunnel 可能會有一定的難度吧。
（二）優點、缺點與使用場景
- Tunnel 模式的優點
- 單臂模式，對 lvs 負載壓力小
- 對資料包修改較小，資訊儲存完整
- 可跨機房（不過在國內實現有難度）
- Tunnel 模式的缺點
- 需要在後端伺服器安裝配置 ipip 模組
- 需要在後端伺服器 tunl0 配置 vip
- 隧道頭部的加入可能導致分片，影響伺服器效能
- 隧道頭部 IP 地址固定，後端伺服器網絡卡 hash 可能不均
- 不支援埠對映
- Tunnel 模式的使用場景
理論上，如果對轉發效能要求較高，且有跨機房需求，Tunnel 可能是較好的選擇。
到此為止，已經將 LVS 原理講清楚了，內容比較多，建議多看兩遍，由於文章篇幅太長，實踐操作的內容就放到下篇文章再來講好了。
謝謝大家，我是肖邦，歡迎關注後續的精彩內容。
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