LVS的介绍说明
- 官方站点：www.linuxvirtualserver.org；
- 用过LVS的童鞋，其实大家的目的性很明确，就是需要通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能，高可用的服务器群集；
- 并且这个集群具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性，从而以低廉的成本实现最优的服务性能，这也是大多数中小型公司青睐的架构；
LVS的体系架构
请求传播路径
负载均衡层（Load Balancer）
- 处于集群最前端，一台或多台构成负载调度，俗称负载调度器（Director Server）；
- 分发请求给服务器集群组层的应用服务器（Real Server）；
- 监控应用服务器健康状况，动态从LVS路由表中剔除、添加；
- 也可以兼职Real Server的身份；
负载均衡的作用
- 负载均衡设备的任务就是作为应用服务器流量的入口，挑选最合适的一台服务器，将客户端的请求转发给它处理，实现客户端到真实服务端的透明转发。
- 云计算以及分布式架构，本质上也是将后端服务器作为计算资源、存储资源，由某台管理服务器封装成一个服务对外提供，客户端不需要关心真正提供服务的是哪台机器，在它看来，就好像它面对的是一台拥有近乎无限能力的服务器，而本质上，真正提供服务的，是后端的集群支撑的计算能力。
典型的互联网应用的拓扑结构
负载均衡的类型
- 负载均衡可以采用硬件设备，也可以采用软件负载。商用硬件负载设备成本通常较高（一台几十万上百万很正常）一般有F5和A10硬件负载均衡；
- 所以在条件允许的情冴下我们会采用软负载，软负载解决的两个核心问题是：选谁、转发，其中最著名的是 LVS（Linux Virtual Server）、Nginx、HAproxy等。
软负载均衡（LVS）
LVS 是四层负载均衡，是我们国家著名技术专家：章文嵩博士研发的，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。
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，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的用户通过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。
服务器群组层（Server Arrary）
- 一台或多台实际运行的应用服务器构成；
- 每个Real Server关联时通过有效网络互连；
共享存储层（Shared Storage）
提供共享存储空间和内容一致性的存储区域；例如：数据库、OSS存储、FS文件服务器等。
LVS相关术语
- DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
- RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
- VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
- DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
- RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
- CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。
LVS 的工作模式主要有 4 种：
- DR
- NAT
- TUNNEL
- Full-NAT
- TUN
返里挑选常用的 DR、NAT、Full-NAT、TUN 来简单介绍一下。
DR（Dynamic Route 动态路由）
通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变；
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。
流程分析
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），此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP；
| 源地址 | 目的地址 |
| CIP | VIP |
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 |
| CIP-MAC | VIP-MAC |
- 当用户请求到达DS后，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。
IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址， 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址；
| 源地址 | 目的地址 |
| CIP | VIP |
| 源MAC地址 | 目的MAC地址 |
| DIP-MAC | RIP-MAC |
- 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至RS。
- 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，于是返个包被合法地接受，RS 感知不到前面有 LVS 的存在。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出，此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP；
| 源地址 | 目的地址 |
| VIP | CIP |
- 响应报文最终送达至客户端，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
这种模式下，有几个要点：
主要是这种模式在于，通过LVS只是在请求阶段做转发，而且修改的也不是IP地址，而是MAC地址，针对于修改后的MAC地址会自动转发到对应网段内MAC主机的服务器上面，之后因为IP都没有改变，之后实际RS可以直接发送给目标client服务器，这种性能最好，但是对网络层面要求比较高，对网络扩展角度而言控制力度略低。
NAT（Network Address Translation 网络地址准换）
- NAT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。
原理
多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为选出来的RS的RIP和PORT实现转发。
流程分析
- LVS需要作为RS的网关，当包到达LVS 时，LVS 做目标地址转换（DNAT）。此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP；
| 源地址 | 目的地址 |
| CIP | VIP |
- IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP， 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP；RS接收到包以后，仿佛是客户端直接发给它的一样。
| 源地址 | 目的地址 |
| CIP | RIP |
- RS比对发现目标为自己的IP，将请求处理完，返回响应时，此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP；
| 源地址 | 目的地址 |
| RIP | CIP |
- 返回时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。此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端，此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP；
客户端无法感知到后端RS 的存在
| 源地址 | 目的地址 |
| VIP | CIP |
要点
客户端是不知道真是RS地址的，但是RS服务器却是可以知道ClientIP的（因为数据包中会包含了ClientIP），但是由于中介LVS的原因，使得发送的时候发给VIP（LVS），返回的时候，由LVS把源地址修改为VIP，所以对于客户端不能来讲是不知道目标地址的RS的存在。这就是反向代理的概念，客户端是不知道真正服务器的存在，知道的只有门面VIP的存在。
特性
- 要求DS具备双网卡，VIP应对公网，而DIP必须和RIP在同一个网段内；
- RIP、DIP应该使用私网地址，同在一个网段中，且RS的网关要指向DIP；
- 请求和响应报文都要经由DS转发，极高负载中，DS可能会成为系统瓶颈；
- RS可以使用任意OS；
TUN
在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IIP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP)。
流程分析
- 当用户请求到达DS后，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链，此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP；
| 源地址 | 目的地址 |
| CIP | VIP |
- PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链；
- IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP；
| IP首部源地址 | IP首部目的地址 | 源地址 | 目的地址 |
| DIP | RIP | CIP | VIP |
- POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输），此时源IP为DIP，目标IP为RIP；
- RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的tun0接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过tun0接口送出去向外传递，此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP；
| 源地址 | 目的地址 |
| VIP | CIP |
- 响应报文最终送达至客户端；
特性
1、DIP、VIP、RIP都应该是公网地址； 2、RS的网关不能，也不可能指向DIP； 3、RS必须支持IP隧道；
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：
- 同一个VLAN的限制导致运维不方便，跨VLAN的RS无法接入。
- 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 的主要改迕是，在 SNAT/DNAT 的基础上，加上另一种转换，转换过 程如下：
- 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，会将返个包返回给LVS的内网IP，返一步也不受限于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。采用返种方式，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。
上面其实是把内网ip和内网ip之间通过交换机进行转换捆绑，从而可以跨vlan进行服务请求代理。
Session
客户端与服务端的通信，一次请求可能包含多个TCP 包，LVS 必须保证同一连接的TCP包，必须被转发到同一台RS，否则就乱套了。为了确保返一点，LVS 内部维护着一个 Session的 Hash 表，通过客户端的某些信息可以找到应该转发到哪一台 RS 上。
LVS 集群化
采用 Full-NAT 模式后，可以搭建 LVS 的集群，拓扑结构如下图：
容灾
容灾分为 RS 的容灾和 LVS 的容灾。
RS 的容灾可以通过 LVS 定期健康检测实现，如果某台 RS 失去心跳，则认为其已经下线， 不会在转发到该 RS 上。
LVS 的容灾可以通过主备+心跳的方式实现。主 LVS 失去心跳后，备 LVS 可以作为热备立 即替换。
容灾主要是靠 KeepAlived 来做的。(心跳以及下线剔除或者替换工作主要通过keepalived进行控制)
