LVS的四种模式的实现

小灰灰 2022-06-11 01:38 214阅读 0赞

LVS 是四层负载均衡，也就是说建立在 OSI 模型的第四层——传输层之上，传输层上有我们熟悉的 TCP/UDP，LVS 支持 TCP/UDP 的负载均衡。  
LVS 的转发主要通过修改 IP 地址（NAT 模式，分为源地址修改 SNAT 和目标地址修改 DNAT）、修改目标 MAC（DR 模式）来实现。

那么为什么 LVS 是在第四层做负载均衡？  
首先 LVS 不像 HAProxy 等七层软负载面向的是 HTTP 包，所以七层负载可以做的 URL 解析等工作，LVS 无法完成。其次，某次用户访问是与服务端建立连接后交换数据包实现的，如果在第三层网络层做负载均衡，那么将失去「连接」的语义。软负载面向的对象应该是 一个已经建立连接的用户，而不是一个孤零零的 IP 包。后面会看到，实际上 LVS 的机器代替真实的服务器与用户通过 TCP 三次握手建立了连接，所以 LVS 是需要关心「连接」级别的状态的。

LVS 的工作模式主要有 4 种：

*  DR  
    
 *  NAT  
    
 *  TUNNEL  
    
 *  Full-NAT

这里挑选常用的 DR、NAT、Full-NAT 来简单介绍一下。

## **1.DR** ##

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请求由 LVS 接受，由真实提供服务的服务器（RealServer, RS）直接返回给用户，返回的时候不经过 LVS。  
DR 模式下需要 LVS 和绑定同一个 VIP（RS 通过将 VIP 绑定在 loopback 实现）。  
一个请求过来时，LVS 只需要将网络帧的 MAC 地址修改为某一台 RS 的 MAC，该包就会被转发到相应的 RS 处理，注意此时的源 IP 和目标 IP 都没变，LVS 只是做了一下移花接木。  
RS 收到 LVS 转发来的包，链路层发现 MAC 是自己的，到上面的网络层，发现 IP 也是自己的，于是这个包被合法地接受，RS 感知不到前面有 LVS 的存在。  
而当 RS 返回响应时，只要直接向源 IP（即用户的 IP）返回即可，不再经过 LVS。  
DR 模式是性能最好的一种模式。

## **2.NAT** ##

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NAT（Network Address Translation）是一种外网和内网地址映射的技术。  
NAT 模式下，网络报的进出都要经过 LVS 的处理。LVS 需要作为 RS 的网关。  
当包到达 LVS 时，LVS 做目标地址转换（DNAT），将目标 IP 改为 RS 的 IP。RS 接收到包以后，仿佛是客户端直接发给它的一样。  
RS 处理完，返回响应时，源 IP 是 RS IP，目标 IP 是客户端的 IP。  
这时 RS 的包通过网关（LVS）中转，LVS 会做源地址转换（SNAT），将包的源地址改为 VIP，这样，这个包对客户端看起来就仿佛是 LVS 直接返回给它的。客户端无法感知到后端 RS 的存在。

## **3.Full-NAT** ##

无论是 DR 还是 NAT 模式，不可避免的都有一个问题：LVS 和 RS 必须在同一个 VLAN 下，否则 LVS 无法作为 RS 的网关。  
这引发的两个问题是：  
1、同一个 VLAN 的限制导致运维不方便，跨 VLAN 的 RS 无法接入。  
2、LVS 的水平扩展受到制约。当 RS 水平扩容时，总有一天其上的单点 LVS 会成为瓶颈。  
Full-NAT 由此而生，解决的是 LVS 和 RS 跨 VLAN 的问题，而跨 VLAN 问题解决后，LVS 和 RS 不再存在 VLAN 上的从属关系，可以做到多个 LVS 对应多个 RS，解决水平扩容的问题。  
Full-NAT 相比 NAT 的主要改进是，在 SNAT/DNAT 的基础上，加上另一种转换，转换过程如下：  
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在包从 LVS 转到 RS 的过程中，源地址从客户端 IP 被替换成了 LVS 的内网 IP。  
内网 IP 之间可以通过多个交换机跨 VLAN 通信。  
当 RS 处理完接受到的包，返回时，会将这个包返回给 LVS 的内网 IP，这一步也不受限于 VLAN。  
LVS 收到包后，在 NAT 模式修改源地址的基础上，再把 RS 发来的包中的目标地址从 LVS 内网 IP 改为客户端的 IP。  
Full-NAT 主要的思想是把网关和其下机器的通信，改为了普通的网络通信，从而解决了跨 VLAN 的问题。采用这种方式，LVS 和 RS 的部署在 VLAN 上将不再有任何限制，大大提高了运维部署的便利性。

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