一、 前言

当一组服务器在高速的局域网或广域网中相互连接，其前端部署了一个负责负载调度的调度器(Director)的服务器系统。调度器能将网络请求无缝调度到真实服务器上(Real server)，客户访问集群系统提供的网络服务就像访问一台高性能、高可用的服务器一样。集群系统支持透明地增加或删除服务器节点，而客户对此是无感知的。除此之外，集群系统能够通过检测节点或服务进程的故障来正确地进行节点的切换，以此达到系统的高可用性。通过此类技术实现的负载均衡，因为是在Linux内核上实现的，因此被称为Linux vitural server(lvs)。

Lvs集群的类型包括：nat、dr、tun和fullnat四种类型，这四种类型的Lvs集群分别有着不同的特点及应用场景，下面我们就来一起看看它们的区别。

lvs常用术语：

VS:Virtual Server，调度器，负责调度

RS: Real Server，负责真正提供服务，后端服务器

VIP: LVS服务器上的公网IP，即Virtual IP

DIP: LVS服务器上的内网IP，即Director IP

RIP: Real Server上的内网IP

CIP：客户端的IP

二、lvs集群的使用场景

1、nat

lvs的nat集群会将请求报文中的目标地址和目标端口修改为选定到的真实服务器的Ip和端口，从而实现报文的转发。

lvs-nat集群应用时由以下几点注意实现：

1、RIP和DIP必须在同一个Ip网络中，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必须经由Director转发；

3、支持端口映射，可修改请求报文的目标端口；

4、director必须为Linux系统，RS可以为任意系统；

此集群类型的优点在于RS可支持任意TCP/IP操作系统，且仅需一个合法的公网Ip即可部署。但是其缺点为当集群扩展到一定程度后，Director容易成为整个集群系统的瓶颈。

nat应用场景逻辑图

上图为lvs-nat的常见的使用场景，其工作流程如下：

1、客户端的请求发往Director 的VIP。

2、Director发到客户端请求报文后，将报文中的目标Ip修改为集群中的选定的RIP，目标端口80也修改成8080，然后将请求报文发往RS。

3、当RS收到请求报文后，在检查报文的目标IP为自己的RIP后，会接受报文并进行处理响应。响应的源Ip为RIP，目标IP为CIP，端口不变。

4、Director收到RS的响应报文，修改响应报文的源IP为VIP，端口为80，然后转发给客户端。

5、客户端接受响应报文，其源IP为VIP，端口为80，整个过程对于客户端来说是透明无感知的。

2、dr

lvs-dr集群是Lvs的默认模式，又称为Direct Routing，直接路由模式。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。

在DR 模式下需要在 Director 和 RS 集群绑定同一个 VIP(RS 通过将 VIP 绑定在 loopback 实现)。由于在VIP在同一个网络中的多台服务器上都需要配置，因此必须对RS的ARP响应报文规则进行修改，其方式有三种：

(a) 在前端网关做静态绑定；

(b) 在RS上使用arptables工具；

# arptables -A IN -d $VIP -j DROP

# arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP

(c) 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别；

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

总的来说，DR模式在部署时有以下几点需要注意的：

1、确保前端路由器将目标Ip为VIP的请求报文发往director；

2、RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director；

3、RS跟Director要在同一个物理网络；

4、请求报文要经由Director，但响应不能经由Director，而是由RS直接发往Client；

5、dr模式不支持端口映射；

lvs-dr模式的优点在于：Director只是分发请求，应答包通过单独的路由方法返回给客户端。与Lvs-tun相比，Lvs-dr这种实现方式不需要隧道结构，因此可以使用大多数操作系统做为物理服务器。缺点在于要求负载均衡器的网卡必须与物理网卡在一个物理段上。

lvs-dr应用场景

上图为lvs-dr的常见的使用场景,其工作流程如下：

1、客户端的请求会发往Director，此时，客户端请求报文的源Ip为CIP，目标Ip为Director的VIP。

2、当Director接受到客户端的请求报文后，Director会在请求报文外封装一个MAC首部，其源MAC为Director接口的MAC地址，目标MAC为选定RS的MAC地址；

3、当RS收到Director转发过来的请求报文后，检查发现请求报文的目标Ip为本地环回接口上配置的VIP，因此会接受报文进行响应处理。另外由于对ARP响应规则做了修改，因此RS不会把响应报文响应给director ，而是响应给GW；

4、客户端接收响应报文，完成通信。

3、tun

转发方式工作，不修改请求报文的IP首部，而在源IP报文之外再封装一个IP首部(源IP是DIP，目标IP是RIP)，将报文发往挑选出的目标RealServer，RealServer直接响应给客户端(源IP是VIP，目标IP是CIP),此模式的注意要点：

(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) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director；

(4) 不支持端口映射；

(5) RS的OS得支持隧道功能；

lvs-tun模式的优先在于Director只负责将请求包分配给对应的RS，而响应则由RS自己直接应答给客户端，因此director不再是瓶颈。但其缺点在于需要每个服务器都支持Ip tunnel协议。

lvs-tun应用逻辑图

4、fullnat

lvs-fullnat模式，即通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发的模式。此类型的模式，默认Kernel不支持。

此模式的注意要点为：

(1) VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP；

(2) RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只能响应给DIP；但Director还要将其发往Client；

(3) 请求和响应报文都经由Director；

(4) 支持端口映射；

fullnat应用场景逻辑图

如上图所示：

1.客户端的请求会发往Director，此时，客户端请求报文的源IP为CIP，目标IP为Director的VIP

2.当Director收到客户端的请求报文时，会将源IP修改为本机的DIP，同时将请求报文中的目标IP修改为后端某个RS的RIP，具体为哪个RS的RIP，取决于LVS使用的具体算法

3.当RS收到对应的请求报文时，会发现报文的目标IP就是自己的RIP，于是就会接收报文并 处理后进行响应。响应报文的源IP则为RIP，目标IP则为DIP

4.当Director收到对应的响应报文时，Director会将响应报文的源IP修改为VIP，目标IP修改为CIP，于是响应报文被发往客户端。

5.客户端则会收到响应报文，源IP为VIP，端口为80，而LVS相对于客户端而言，转换过程是透明的。