LVS介绍及相关配置

一. LVS概述

LVS是一种工作在四层协议上的负载均衡解决方案，在1998年5月由章文嵩博士创建。目前广泛使用的负载均衡模型主要有：

1）工作在四层协议（LVS）：主要用于四层协议上的负载均衡，性能相较于工作在七层的协议更好。但是协议栈是工作在传输层，对于传输层以上的高级特性支持不足。

2）工作在七层协议（Nginx、HAproxy）：主要解决七层协议上的负载均衡（Nginx也可以工作在四层，需要在编译的时候添加--with-streams参数），更加适合于HTTP服务、邮件服务等高层协议的服务。相较于四层协议负载均衡，牺牲了少量的性能，提供了更有针对性的服务。

二. LVS工作模式

2.1.两段式工作原理：

LVS工作原理和iptables的工作原理相似，他们都具有一个位于内核空间的框架（Netfilter、ipvs）+用户空间的管理工具（iptables、ipvsadm）。用户空间的管理工具提供了我们操作规则的入口，我们通过配置相关的规则到内核空间的框架中，使之生效来实现相对应的功能。

LVS模型涉及到的设备主要可以分成两类：一类是Director调度器（用来接收客户端的请求，并通过IPVS规则及算法转发到后端真正提供服务的设备），另一类是RealServer（即后端真正提供服务的设备）。LVS安装在Director调度器上，位于内核空间的ipvs监听在Netfilter中的input链上，并且在这里设定了一些规则，一旦发现访问的是集群服务，强制修改请求报文（从这里区分了NAT模式、DR模式、TUN模式），并立即送往prerouting链上。如果经判断不是访问集群服务的请求，还是根据网络层协议正常访问本机[根据IP+Port判断]。

2.2.注意：

1、因为LVS模型依赖了Netfilter内核框架，并且对处理访问集群服务的请求报文，强行做了修改，这会导致iptables功能失效。因此LVS和iptables不能共同使用。

2、2.4.23版本之前的内核没有内置ipvs代码，需要打补丁。在此版本后，可以直接使用LVS功能。

三. LVS常用工作模型

3.1.NAT模型

工作原理：

当监控到ClientIP访问集群服务，Director调度器会根据调度算法挑选一个后端RealServerIP，将数据报文送往postrouting链进行DNAT转换（目标地址转换）。当后端RealServer处理请求完毕后，响应报文再次经由Director回复Client，在Director的prerouting链进行SNAT（源地址转换）。

优点与不足：

优点是配置简单；缺点是因数据进出都要经过director，所有性能较差，一般带动10个RIP。

NAT模型注意事项：

1）集群节点与Director必须在同一个网络中。
2）RIP地址一般都是私有地址，而且仅用于与DIP通信。
3）Director位于Client和RealServer之间，负责进出的所有通信。
4）集群节点要使用DIP作为默认网关。
5）Director支持端口映射。
6）任何操作系统都可以作为RealServer。
7）Director容易成为集群性能的瓶颈。

3.2.DR模型

工作原理：

【Director调度阶段】Director在接收到Client的请求后（client访问的是Director的VIP），发现该请求是访问集群服务时，便修改请求报文的目标MAC地址并通过postrouting链转发该报文至RealServer。

【RealServer处理阶段】每个RealServer都具有VIP，配置在IP别名上，仅用于封装响应报文，不用于与Director通信。当RealServer收到该请求报文时，在数据链路协议发现MAC地址是自己的，解封装后发现自己也有配置在别名上的VIP，便接收该报文并处理。

【RealServer回复阶段】RealServer收到的这个请求报文，其源IP地址和目标IP地址均没有做修改。因此在回复报文时，RealServer根据网络层IP协议直接回复Client，不需要经过Director。

优点与不足：

优点是Director调度器仅需要处理请求报文，不用处理响应报文，工作效率大大提升，能够带动数百台的RealServer；缺点是配置相对于NAT模型要复杂。

DR模型注意事项：

1）各集群节点必须跟Director在同一个物理网络中，因为要根据MAC地址转发。
2）RIP可以不用私网地址。
3）Director仅处理入站请求，响应报文直接由RealServer回复给客户端。
4）RealServer一定不能将默认网关指向Director，要指向能访问互联网的路由设备。
5）Director无法实现端口映射，只改变了MAC地址，TCP/IP都没有发生改变。
6）大多数的操作系统都可以用在RealServer上，Server必须要支持隐藏IP。

拓展：禁止RealServer响应ARP方式

1）在路由设备上固定写上VIP的MAC地址。
2）arptables规则链上定义规则，不响应arp。
3）kernel parameter：有两个参数arp_ignore、arp_announce用于限定主机对arp广播的响应级别和通告级别。用户请求的VIP和进来的网络接口不是同一个，那就忽略这个arp报文。
arp_announce：
0：将本机任何接口的任何地址向外通报；1：尽可能向目标网络通报与其网络匹配的接口。2：仅向与本地接口匹配的网络进行通告。默认0。
arp_ignore：
0：表示回应任何本机配了的地址。1：表示只响应该IP地址且该IP配置同网络的接口上。默认0。

3.3.TUN模型

工作原理：

Director当接收到Client的请求报文并发现访问的是集群服务时，调度器会在原有的IP请求报文外部，再次封装一层IP报文并发送至外网（在原有的IP报文再次封装一层IP报文即为隧道技术），最终转发至不同网络域的RealServer。

优点及缺点：

优点是能够解决异地灾备的需求；缺点是Director和RealServer设备要支持隧道技术，配置复杂；

TUN模型注意事项：

1）RealServer可以跨越互联网。
2）RealServer的RIP必须是公网地址。
3）Director只处理入站请求，响应报文有RealServer发往客户端。
4）只有支持隧道协议的OS才能用于RealServer。
5）不支持端口映射。

四. LVS配置详情(Centos7)

4.1.NAT模型配置

网络规划

NAT模式
　　VIP：
　　　　192.168.100.150 outer
　　DIP：

　　　　172.16.100.10 inner

　　rip1：
　　　　172.16.100.11 inner
　　rip2：
　　　　172.16.100.12 inner

RealServer配置

 # 安装nginx并配置
 yum install nginx -y

Director配置

 # 安装ipvsadm工具
 yum install ipvsadm -y
 # 关闭ICMP重定向
 echo  > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
 echo  > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects
 echo  > /proc/sys/net/ipv4/conf/defaults/send_redirects
 echo  > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects
 echo  > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects
 # director设置ipvsadm
 ipvsadm -A -t 192.168.100.150: -s rr
 ipvsadm -a -t 192.168.100.150: -r 172.16.100.11: -m
 ipvsadm -a -t 192.168.100.150: -r 172.16.100.12: -m 

4.2.DR模式配置

网络规划

Director:
　　vip：192.168.100.150
　　dip：192.168.100.155
rip1：
　　lo:0 192.168.100.150(vip)
　　rip 192.168.100.151
rip2
　　lo:0 192.168.100.150(vip)
　　rip 192.168.100.152

RealServer配置

# 配置内核参数，禁止响应ARP报文
echo "" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
# 配置别名VIP
ifconfig lo: 192.168.100.150 broadcast 192.168.100.150 netmask 255.255.255.255 up
# 添加默认路由指向Director前的网关，由于实验环境使用NAT模式，已经配好了指向默认网关，这里就不再配置了

Director配置

# 安装Nginx并配置
yum install nginx -y
# 配置端口转发功能
echo  > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# 配置VIP
ifconfig ens33: 192.168.100.150 broadcast 192.168.100.150 netmask 255.255.255.255 up
# 添加至RealServer的路由
route add -host 192.168.100.150 dev ens33:
# 配置ipvs
ipvsadm -A -t 192.168.100.155: -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.100.155: -r 192.168.100.151: -g
ipvsadm -a -t 192.168.100.155: -r 192.168.100.152: -g