LVS-NAT模式的配置详解

由于实验室拟态存储的项目需要通过NAT模式来映射NFS服务器已实现负载均衡的目的，通过调研了多种负载均衡机制，笔者最终选择了LVS的NAT模式来实现需求，接下来通过博客来记录一下LVS-NAT模式的配置流程。

1.LVS服务的简介：

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，在1998年5月由章文嵩先生主导开发。LVS集群实现了IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器通过将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且可以屏蔽掉后台故障的服务器，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的服务器集群，而这样的结构对客户端来说是完全透明的，所以无需修改客户端和服务器端的程序。

LVS服务器可以让客户端将LVS服务器作为一个连接的单点，仅仅通过连接LVS服务器便可以得到后端一整个服务器集群的处理与存储能力，这样能够大大提高系统的扩展性与可用性，同时也能够提供服务的安全性，单一入侵一台服务器并不会破坏其他与该服务器隔离的服务。

LVS的模式

LVS可以支持如下三种模式：

Virtual Server via Network Address Translation（VS/NAT）

通过网络地址转换，调度器重写请求报文的目标地址，根据预设的调度算法，将请求分派给后端的真实服务器；真实服务器的响应报文通过调度器时，报文的源地址被重写，再返回给客户，完成整个负载调度过程。
Virtual Server via IP Tunneling（VS/TUN)

采用NAT技术时，由于请求和响应报文都必须经过调度器地址重写，当客户请求越来越多时，调度器的处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题，调度器把请求报文通过IP隧道转发至真实服务器，而真实服务器将响应直接返回给客户，所以调度器只处理请求报文。由于一般网络服务应答比请求报文大许多，采用 VS/TUN技术后，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。
Virtual Server via Direct Routing（VS/DR）

VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到真实服务器，而真实服务器将响应直接返回给客户。同VS/TUN技术一样，VS/DR技术可极大地提高集群系统的伸缩性。这种方法没有IP隧道的开销，对集群中的真实服务器也没有必须支持IP隧道协议的要求，但是要求调度器与真实服务器都有一块网卡连在同一物理网段上。

鉴于ip安全的需求，这里我们需要分割LVS服务器与后端负载集群的ip地址，并且对于负载均衡集群的数目没有太大的需求，所以笔者选用了Virtual Server via Network Address Translation（VS/NAT) 模式。

2.系统环境：

如下图所示,这是LVS-NAT模式下的系统结构图：

系统平台：Ubuntu 16.04 LTS

Load Balancer: 双网卡

外网地址：219.223.199.164
内网地址：192.168.1.30

Real Server:

一共有五台机器，ip地址分别为192.168.1.21~25。这里笔者由于需要挂载NFS服务器并且串联CephFS集群，所以本身Real Server上已经运行着NFS的服务端，关于NFS服务器的搭建可以参考我之前的博文。

3.Load Balancer服务器的配置：

Load Balancer服务器的配置相对来说较为复杂，我们按部就班的走下这个流程：

ipvsadm

LVS依赖于ipvsadm来进行配置，所以我们首先先安装ipvsadm：
```
sudo apt-get install ipvsadm
```

NAT模式下的ip转发

之后我们需要配置NAT模式下的ip转发，让通过Load Balancer的ip包能够转发到真正提供服务的Real Server之上进行处理：

 echo 1 >> /proc/sys/net/ipv4/ip_forward //在ipv4环境下可以进行ip转发

 sudo iptables -t nat -F   //清除之前的iptable的规则

 sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.1.0/24 -o ens160 -j MASQUERADE

 //这里的网卡需要选择外网ip,也就是219.223.199.164对应的ip地址

LVS-NAT模式的配置

这里我们采取全盘转发的机制，也就是不指定端口的方式，这种用法可能相对比较少见，但由于NFS服务依赖与rpcbind选择端口，所以提供的端口是随机的，为了简单起见，我们采取全盘转发的模式。

sudo ipvsadm -A -t 219.223.199.164 -s wrr -p 30  //转发对应的ip,并且采取权重轮询的策略

sudo ipvsadm -a -t 219.223.199.164 -r 192.168.1.21 -m -w 1

sudo ipvsadm -a -t 219.223.199.164 -r 192.168.1.22 -m -w 1

sudo ipvsadm -a -t 219.223.199.164 -r 192.168.1.23 -m -w 1

sudo ipvsadm -a -t 219.223.199.164 -r 192.168.1.24 -m -w 1

sudo ipvsadm -a -t 219.223.199.164 -r 192.168.1.25 -m -w 1　//依次添加对应的Real Server服务器

下图是通过ipvsadm配置好的转发机制：

4.Real Server服务器的配置：

Real Server这里需要配置路由，将默认的网关改为Load Balancer 服务器的内网ip地址，来实现路由转发的效果。（笔者这里多提一句：这里如果采用双网卡机制很容易出现，TCP连接问题，也就是syn消息收不到ack响应，所以尽量将无关的网卡警用，以免路由配置的复杂。）

route命令的配置：

    sudo route add -net 0.0.0.0 gw 192.168.1.30

这个命令需要在每台Real Server之上执行，否则其他Real Server没有办法接受到转发的ip数据包，会被Load Balance屏蔽，从而没有办法实现我们期待的负载均衡的结果。下图所示的是Real Server服务器路由转发配置的结果：

5.LVS-NAT模式的测试：

由于实现了LVS全盘的ip地址转发，所以任何基于TCP的网络服务都可以通过Load Balancer转发给后端的Real Server来提供对外的服务，由于笔者主要是测试NFS服务的，所以我们先在Real Server之上启动对应的NFS服务：

为了使NFS服务器能正常工作，需要启动rpcbind和nfs-kernel-server两个服务，并且rpcbind一定要先于nfs-kernel-server启动。

  sudo service rpcbind start

  sudo service nfs-kernel-server start

之后我们便可以执行NFS客户端的挂载工作了，过载工作很简单，先建立一个挂载目录，然后通过mount命令挂载Load Balancer的外网ip:

  sudo mkdir /mnt/ceph

  sudo mount -t nfs 219.223.199.164:/mnt/cephfs /mnt/ceph

之后客户端对应的文件目录便挂载上对应Real Server上的文件系统了。（这里的NFS服务是笔者预先搭建好的，读者可以自行搭建自己所需的网络服务。）

如下图所示，我们挂载了远端219.223.199.164的NFS服务器，而实际的服务是由后端的Real Server来提供的：

小结:梳理了一下在LVS-NAT模式之下的安装与配置。RedHat系列的发行版也是大同小异。这里调试一定需要有足够的耐心和毅力，需要去细致的排查，否则很容易出现问题。若有疏漏，望各位指点斧正。