LVS NAT,DR,TUN三种负载原理

负载均衡简单介绍

用通俗的话来说负载均衡，就是通过不同的调度机制将用户的请求分派到后端不同的服务器。缓解服务器的请求压力，实现负载均衡的方案有多种，下面简单说说了解的几种方式：

DNS 负载：利用DNS的解析可以实现区域的性用户请求负载，这种负载方式是离用户最近的负载方案，请求还没有到达内部系统架构服务前就已经被分流了。
LVS ：就是本篇文件要整理的解决方案，LVS性能特别强，它是工作在linux系统内核的一个程序，LVS负载的特点是超强的分流功能，但它只能负载调度流量的去向，没有办法实现在业务层分流负载。
Haproxy：haproxy可以工作在ISO7层模型中的4层和7层，工作在4层时是基于IP的负载，这与LVS作用相同，工作在7层时是基于应用层的应用协议进行负载，可以根据分析报文内容并结合算法来选择后端服务
Nginx： nginx也是应用层负载均衡器，可以实现反向代理功能，nginx的特点是可以将请求按照业务类型进行向后端调度，对请求从业务功能上进行了负载调度。

lVS工作组成

LVS由两部分组成，包括ipvs和ipvsadm：

ipvs：ipvs是工作在内核空间netfilter的input链上的框架，通过用户空间工具进行管理，是真正生效实现调度的代码。
ipvsadm：ipvsadm负责为ipvs内核框架编写规则，管理配置内核中ipvs程序的用户空间的管理工具

LVS工作原理

LVS是工作在linux内核空间的tcp/ip栈的应用程序，其程序名称为ipvs，ipvs会监听input链上的请求，一旦请求的是集群服务的话，ipvs钩子函数会将请求拉出并进行报文修改，强制转发到postrouting处理，关系图如下图所示：

在客户端看来，负载层的LVS 就是一个真实的应用服务器，客户端向LVS发送请求信息，LVS接收数据报文至内核空间，工作在input链上的ipvs模块会判断用户请求是不是定义的后端服务器，如果用户请求的就是定义的后端集群服务，数据报文传送到input链上时，input链会强行将数据报文转发给postrouting，postrouting将数据报文传送给后端真实服务器

LVS的4种工作模式

LVS有多种工作模式，类型如下：

NAT：修改请求报文的目标IP，多目标IP的DNAT
DR：操纵封装新的MAC地址
TUN：在原请求IP报文之外新加一个IP首部
FullNAT：修改请求报文的源和目标IP

生产环境中大多使用DR模型工作

LVS-NAT模式

在客户端看来，负载层的Director server 就是一个真实的应用服务器，客户端向LVS发送请求信息，Director server接收数据报文至内核空间，工作在input链上的ipvs模块会判断用户请求是不是定义的后端服务器，如果用户请求的就是定义的后端集群服务，数据报文传送到input链上时，input链会强行将数据报文转发给postrouting，postrouting将数据报文传送给后端真实服务器。

LVS-NAT模型运行原理

NAT模式工作过程描述

1， Client向Director server发送带有 [CIP-VIP] 的请求数据报文，PREROUTING 链接收数据报文发现目标ip是本机ip，随后将报文转发值INPUT链
2，工作在INPUT链上的IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，如果是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP
3， POSTROUTING根据选路发给后端realy server，realy server收到数据包发现目标ip是自己，然后向Director响应请求，此时响应报文中的源IP地址信息为 RIP,目标地址IP为CIP
4，Director server在响应Client之前再将报文中ip信息源IP地址改为 VIP，目标IP仍为CIP

NAT模式特点

本质是多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为挑出的某个RS的RIP和PORT实现转发

1，RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP
2，请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈
3，支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT
4， LVS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统

LVS-DR模式

在DR工作模型中，Director收到请求通过修改数据数据报文中目的地址的MAC地址实现数据报文的转发。在该模式下，Director和后端realy server都有一个相同VIP，且在同一物理网络中，因此Client发送的请求报文到达INPUT链时，只要将报文中的[CIP-VIP]的MAC信息改成【DIP-MAC | RIP-MAC】,后端realy server接收报文并构建响应，此时，响应报文不再经过Director，realy server直接响应客户端。

LVS-DR模型运行原理

DR模式工作流程

1，当用户请求到达Director Server，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
2， PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
3， 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，然后将数据包发至POSTROUTING链。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
4，由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。
5， RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。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

DR模式的特点

1，保证前端路由将目标地址为VIP的报文全部发送给DS，而不是RS
2，RS的RIP可以使用私有地址，但也可以使用公网地址
3，RS和director必须在同一物理网络中
4，请求报文有director调度，但响应报文不一定经由director
5，不支持端口映射
6，RS可以支持大多数OS
7，RS的网关不能指向DIP

LVS-TUN模式

在TUN工作模式下，Client向Director server 发送请求报文，报文到达Director 内核空间不修改请求报文的ip首部，而是通过在原有ip首部[CIP-VIP]之外，再封装一个ip首部[DIP-RIP]，RS收到报文后发现是自己的IP地址，就会将报文接受下来，拆除最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标地址是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成滞后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP

LVS-TUN模型运行原理

TUN模式工作流程

1，当用户请求到达Director Server，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 。
2， PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
3，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
4，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
5， 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lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP

TUN模型特点

1，RIP、VIP、DIP全是公网地址
2，RS的网关不会也不可能指向DIP
3，所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
4，不支持端口映射,
5，RS的系统必须支持隧道

LVS调度算法

RR 轮询

调度器将请求调度至后端服务器(这种方式最简单，不考虑后端主机性能等因素，公平调度)

WRR 加权轮询

在轮询的基础上，调度器可以给后端主机指定权重，考虑到后端主机性能不均衡的问题，可以让性能强的主机响应更多的请求

LC 最少连接

调度器通过"最少连接"调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用"最小连接"调度算法可以较好地均衡负载。

WLC 加权最少连接

调度器通过"加权轮叫"调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。

LBLC 基于局部性最少连接

调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用"最少链接"的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器。

LBLCR 带复制的基于局部性最少连接

它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按"最小连接"原则从服务器组中选出一台服务器，
若服务器没有超载，将请求发送到该服务器，若服务器超载；则按"最小连接"原则从这个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器。同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的程度。

DH 目标地址哈希

目标地址哈希，将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡，如：宽带运营商

SH 源地址哈希

实现session sticky，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定