网络应用部署负载均衡LVS_DR模式详解

- 日理万妓 2022-05-14 11:11 783阅读 0赞

# 负载均衡LVS\_DR模式详解 #

### 1.前言 ###

【1】LVS特点：

**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。本项目在1998年5月由[章文嵩][Link 1]博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。可伸缩网络服务的几种结构，它们都需要一个前端的负载调度器（或者多个进行主从备份）。我们先分析实现虚拟网络服务的主要技术，指出IP负载均衡技术是在负载调度器的实现技术中效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中，主要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）。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上，我们提出了通过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。VS/NAT、VS/TUN和VS/DR技术是LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术。

【2】技术简介

LVS集群采用IP[负载均衡技术][Link 2]和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且调度器自动屏蔽掉服务器的故障，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的[虚拟服务器][Link 3]。整个[服务器集群][Link 4]的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。为此，在设计时需要考虑系统的透明性、可伸缩性、高可用性和易管理性。

【3】[集群][Link 5]采用[三层结构][Link 6]

一般来说，LVS集群采用三层结构，其主要组成部分为：

A、负载调度器（load balancer），它是整个集群对外面的前端机，负责将客户的请求发送到一组服务器上执行，而客户认为服务是来自一个IP地址（我们可称之为虚拟IP地址）上的。

B、服务器池（server pool），是一组真正执行客户请求的服务器，执行的服务有WEB、MAIL、FTP和DNS等。

C、共享存储（shared storage），它为服务器池提供一个共享的存储区，这样很容易使得服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务。

### 2. LVS\_DR 模式架构图 ###

![70][]

说明： 图中展示的是最简单的 LVS DR 模式架构，也是这篇博客的实验环境。

### 3. arp 基础知识 ###

为什么要先了解arp 的知识呢？因为，在lvs\_dr 负载均衡模式中，realserver 和 lvs 调度器都配置了vip。客户端需要和 lvs 的 vip 通信，所以，就要抑制realserver 对vip 的mac 地址的请求。具体会涉及到 arp\_ignore 和 arp\_announce 两个参数的设置。注意在文章的后半段，我会再详细讲一下。

什么是arp广播？通俗讲，就是在网络中，根据ip地址找mac地址的协议，即ARP 协议。

3.1 举一个例子：

主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；  
主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；

当主机A要与主机B通信时：  
第1步：根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。  
第2步：如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。  
第3步：主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。  
第4步：主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。  
第5步：当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。

### 4. 准备工作——服务器ip分配 ###

4.1 lvs

eth0: 192.168.188.108 eth0:2 192.168.188.120 (vip) mac: 00:0c:29:50:d5:63

4.2 realeserver

第一台（cenvm71）： eno16777736 : 192.168.188.107 mac : 00:0c:29:e4:4d:1f lo:0 192.168.188.120 (vip) 第二台（cenvm72）： eth0: 192.168.188.110 mac: 00:0c:29:2c:a5:a0 lo:0 192.168.188.120 (vip)

4.3 在两台 rs 主机安装nginx

yum install -y nginx

安装完nginx 服务后，最好将nginx 的默认html 文件修改一下输出内容，让它们能够区分就可以了。

### 5. 环境搭建过程 ###

5.1 DR 安装ipvsadm 和配置 lvs\_dr.sh 文件

安装ipvsadm 软件： yum install -y ipvsadm 配置文件： [root 18:40:39 @CentOS3 sbin] cat /usr/local/sbin/lvs_dr.sh #! /bin/bash echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward ipv=/sbin/ipvsadm vip=192.168.188.120 rs1=192.168.188.107 rs2=192.168.188.110 #注意这里的网卡名字 ifdown eth0 ifup eth0 ifconfig eth0:2 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up route add -host $vip dev eth0:2 $ipv -C $ipv -A -t $vip:80 -s wrr $ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 1 $ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1

5.2 realeserver 配置 lvs\_rs.sh 文件

[root@cenvm72 network-scripts]# cat /usr/local/sbin/lvs_rs.sh #/bin/bash vip=192.168.188.120 #把vip绑定在lo上，是为了实现rs直接把结果返回给客户端 ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up route add -host $vip lo:0 #以下操作为更改arp内核参数，目的是为了让rs顺利发送mac地址给客户端 #参考文档www.cnblogs.com/lgfeng/archive/2012/10/16/2726308.html echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce 两台realeserver 主机的 lvs_rs.sh 配置文件都一样

### 6. 实验过程 ###

6.1 启动 lvs

现在 rs1 和 rs2 上运行 lvs\_rs.sh 脚本，启动nginx服务

/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_rs.sh systemctl start nginx

然后，在 lvs 上运行lvs\_dr.sh 脚本，启动nginx

/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh systemctl start nginx

在 lvs 查看：

[root 18:58:10 @CentOS3 sbin] ipvsadm -ln IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn TCP 192.168.188.120:80 wrr -> 192.168.188.107:80 Route 1 0 0 -> 192.168.188.110:80 Route 1 0 0

说明lvs 功能已经启动

6.2 lvs dr 模式请求过程

整个请求过程如下：

client在发起请求之前，会发一个arp广播的包，在网络中找“谁是vip”，由于所有的服务器，lvs和rs都有vip，为了让client的请求送到lvs上，所以必须让rs不能响应client发出的arp请求，（这也是为什么要禁止rs上arp的请求和响应）下面就是lvs转发的事情了：

1.  client向目标vip发送请求，lvs接收；此时ip包和数据信息如下：

1.  lvs根据负载均衡的算法，选择一台realserver，然后把realserver1的mac地址作为目的mac地址，发送到局域网中

3 . realserver1在局域网中收到这个请求以后，发现目的ip和本地匹配，于是进行处理，处理完成以后，直接把源ip和目的ip直接对调，然后经过网关直接返回给用户；

6.3 抓包分析验证

1.  lvs 转发到 realeserver

![lvs\_dr 负载均衡模式分析][lvs_dr]

从抓包中可以看到，客户端发送请求给 lvs，lvs 马上就会将请求转发给后端的 rs2 (mac 地址： 00:0c:29:2c:a5:a0)；

realserver 直接会应客户端数据  
![lvs\_dr 负载均衡模式分析][lvs_dr 1]  
从抓到的数据包分析，rs2 处理请求后，直接就把数据发回给客户端了。源ip 是 vip，目标ip 是客户端的ip。

### 7. 重要的补充，关于arp 抑制 ###

lvs dr 模式中，lvs 和 rs 处于同一个网络中，而且他们都配置相同的 vip。所以，当客户端要向vip 发送网络请求的时候，它会先在整个网络广播一条 arp 请求，询问 vip 对应的mac 地址是什么。arp 广播有可能被lvs 响应，也有可能被realeserver 响应。如果这条请求 vip 的广播被realeserver 服务器响应了，那么客户端的 arp 缓存表就记录了vip 的mac 地址是realserver 的了。这样会导致客户端直接可以将数据请求发送到realserser ，lvs 的负载均衡作用就完全失效，其他的realserver 服务器也不会被请求。

由于存在以上的问题，lvs dr 模式的架构中，需要将realserver 的arp 协议响应和宣告功能进行限制。具体来说就是在 rs 里的 lvs\_rs.sh 配置脚本的以下几条操作：

echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

备注说明：

7.1 arp\_ignore =1

作用就是，限制rs 对arp 广播的响应。当 arp 请求的目的 ip 是本机的网络入口设备的ip 时才响应。所以，当arp\_ignore设为1后，rs 对网络中询问vip 的 arp 广播包都不再响应。因为rs 的vip 设置在lo:0 虚拟网卡上，不是rs这台机器的网络流入设备。

7.2 arp\_announce = 2

作用就是，限制rs 在对外宣告arp 广播时所使用的源ip 地址。因为，rs 要直接返回客户的请求数据。我们从本文的第6节抓包分析里，就知道rs 需要知道客户机的mac地址，数据包才能发送到网络中，且能准确找到客户机的网卡。  
rs 在广播arp 请求时，默认如果arp\_announce=0时，发出请求的ip是什么，arp 请求里的源ip就应该是什么。即如果arp\_announce=0，那么rs 的arp 广播的源ip 就会是vip。当rs 发出这个源ip是vip ，源mac地址是 eth0 的请求包后，客户机就会更新自己的arp 缓存表里vip 的mac 地址，这样之前记录的lvs 的mac 地址就失效了。

所以，需要将 arp\_announce设置为2。这样，rs 发出arp 广播请求查询客户机的mac地址时，它的arp 报文里使用的源ip 就会选择出口设备，也就是eth0 的mac 地址。当客户机收到rs 的这个arp 请求时，就会回应自己mac 地址。这样，客户机也不会更新自己arp 缓存表里的vip 的mac地址。

arp 协议有一个特点，它不会记住自己询问过的ip地址和mac主机。所以，当有接收到新的arp广播请求，如果发现有新的mac 地址，他就会更新。而不会验证发送方是不是自己曾经询问过的ip 。这个缺陷也引起了arp \*\*\*，就是我们常说的arp 欺骗。有些中间代理机器，不断地发arp 请求，让你的机器arp 缓存表里的mac 地址混乱。

### 8. 总结 ###

在lvs dr 模式中通过抓包理解请求发送的流转方向，清晰地理解为什么lvs 调度器不会成为网络性能的瓶颈，在理解arp 抑制时理解arp\_ignore 和 arp\_announce 两个参数的作用最为重要。

[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E7%AB%A0%E6%96%87%E5%B5%A9/6689425
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E8%B4%9F%E8%BD%BD%E5%9D%87%E8%A1%A1%E6%8A%80%E6%9C%AF
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E6%9C%8D%E5%8A%A1%E5%99%A8
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E6%9C%8D%E5%8A%A1%E5%99%A8%E9%9B%86%E7%BE%A4
[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E9%9B%86%E7%BE%A4
[Link 6]: https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%89%E5%B1%82%E7%BB%93%E6%9E%84
[70]: /images/20220514/3560a0eb6c4f4c8ca185b3d2b06c20c8.png
[lvs_dr]: /images/20220514/d6a4ba3fa4c947cfbea4205fc2536b80.png?
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