负载均衡 lvs

1. 4层转发(L4) 与 7层转发(L7) 区别

4层转发(L4) 与 7层转发(L7) 区别

转发基于的信息

状态

常用的服务

L4

基于网络层和传输层信息:

L4转发主要依赖于网络层IP头部(源地址,目标地址,源端口,目标端口)和传输层头部(通常是TCP或UDP)中的信息来做出转发决策。

无状态转发

大多数L4转发设备是无状态的,意味着它们不会维护会话状态,每个数据包都被独立地转发,而不考虑之前的数据包。这种无状态的转发机制使得L4转发设备具有高吞吐量和低延迟的优点。

LVS,F5,nginx,haproxy

L7

基于应用层信息

L7转发深入到应用层协议中,可以解析HTTP、HTTPS等协议的头部信息,以及请求体中的内容。

有状态转发

L7转发通常是有状态的,转发设备需要维护连接状态,以便识别和处理完整的请求-响应周期

nginx,haproxy

2. LVS工作原理:

当用户向负载均衡调度器(Director Server)发起请求,调度器将请求发往至内核空间PREROUTING链首先会接收到用户请求,判断目标IP确定是本机IP,将数据包发往INPUT链,IPVS是工作在INPUT链上的,当用户请求到达INPUT时,IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对,如果用户请求的就是定义的集群服务,那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口,并将新的数据包发往POSTROUTING链,POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器,那么此时通过选路,将数据包最终发送给后端的服务器

组成部分:

ipvs(ip virtual server):一段代码工作在内核空间,叫ipvs,是真正生效实现调度的代码。ipvsadm:另外一段是工作在用户空间,叫ipvsadm,负责为ipvs内核框架编写规则,定义谁是集群服务,而谁是后端真实的服务器(Real Server)

3. LVS的工作模式

LVS的IP负载均衡技术是通过IPVS模块来实现的,IPVS是LVS集群系统的核心软件,它的主要作用是:安装在Director Server上,同时在Director Server上虚拟出一个IP地址,用户必须通过这个虚拟的IP地址访问服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP,即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达负载调度器,然后由负载调度器从Real Server列表中选取一个服务节点响应用户的请求。 当用户的请求到达负载调度器后,调度器如何将请求发送到提供服务的Real Server节点,而Real Server节点如何返回数据给用户,是IPVS实现的重点技术,IPVS实现负载均衡机制有几种,分别是NAT、DR、TUN及FULLNAT。

DS:director server,即负载均衡器,根据一定的负载均衡算法将流量分发到后端的真实服务器上
RS:real server 真实的提供服务的server,可被DS划分到一个或多个负载均衡组.
BDS:backup director server,为了保证负载均衡器的高可用衍生出的备份.
VS:vitual server,负载均衡集群对外提供的IP+Port.
VIP:VS的IP,client请求服务的DIP(destination IP address),定义在DS上,client或其网关需要有其路由
RIP: Real erver IP 真实服务器的ip地址
CIP: client ip 客户端ip地址
DIP: director ip 负载均衡本身的ip

4. NAT模式

概述:DS把客户端请求包做目标地址转换,回客户端的时候先做源地址转换

NAT(Network Address Translation)是一种外网和内网地址映射的技术。NAT模式下,LVS需要作为RS的网关,当网络包到达LVS时,LVS做目标地址转换(DNAT),将目标IP改为RS的IP。RS接收到包以后,处理完,返回响应时,源IP是RS IP,目标IP是客户端的IP,这时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,对于客户端只知道是LVS直接返回给它的。

5. DR模式

概述:DS转换目标MAC地址,RS的LO做VIP

LVS-DR(Direct Routing)模式是LVS负载均衡的一种实现方式,通过在前端负载均衡器和后端真实服务器之间建立虚拟IP地址和ARP代理,将请求直接路由到后端服务器上,避免了数据包的二次复制和转发,提高了系统的性能和可靠性。这种模式需要在后端服务器上配置虚拟IP地址和直接路由规则,并保证后端服务器之间的网络互通。

环境准备:RS的LO口设置VIP,RS抑制ARP解析(防止IP冲突)

DR配置流程

环境准备

主机

IP

安装软件

LVS

10.0.0.5

ipvsadm

VIP(无实体)

10.0.03

WEB01

10.0.0.7

nginx

WEB02

10.0.0.8

nginx

yum -y install ipvsadm
#软件包内容
#/etc/sysconfig/ipvsadm-config
#/usr/lib/systemd/system/ipvsadm.service
#/usr/sbin/ipvsadm           #管理lvs规则 ip_vs
#/usr/sbin/ipvsadm-restore   #恢复从文件中恢复lvs规则
#/usr/sbin/ipvsadm-save      #保存lvs规则#00.加载ip_vs模块,
modprobe ip_vs#01.临时手动添加vip(重启网卡失效),后面是由keepalived生成
ip addr add 10.0.0.3/24 dev eth0 label eth0:0#02.查看lvs规则
ipvsadm -ln#03.清空规则,要备份
ipvsadm -C#04.设置tcp超时时间
ipvsadm --set 30 5 60   #05.添加规则 ngx upstream
ipvsadm -A -t 10.0.0.3:80 -s wrr -p 20
#-A --add-service 创建池塘  
#-t --tcp-service tcp协议
#10.0.0.3:80 组名称
#-s scheduler 轮询算法   wrr weight 加权轮询   rr wlc
#-p persistent 会话保持时间#06.向upsteam中添加server  
ipvsadm -a -t 10.0.0.3:80 -r 10.0.0.7:80 -g -w 1
ipvsadm -a -t 10.0.0.3:80 -r 10.0.0.8:80 -g -w 1
#-a 添加 rs服务器  
#-t tcp协议
#-r 指定rs服务器ip
#-g --gatewaying dr模式 默认的
#-w 权重#07.查看规则状态
]# ipvsadm -ln --stats
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port               Conns   InPkts  OutPkts  InBytes OutBytes-> RemoteAddress:Port
TCP  10.0.0.3:80                         0        0        0        0        0-> 10.0.0.7:80                         0        0        0        0        0-> 10.0.0.8:80                         0        0        0        0        0#08.备份与恢复配置文件(有需要的时候操作)
ipvsadm-save -n > /root/ipvs.txt
ipvsadm-restore < /root/ipvs.txt
[root@web01 ~]# cat /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:1
DEVICE=lo:1
IPADDR=10.0.0.3
NETMASK=255.255.255.255
ONBOOT=yes
NAME=loopback
[root@web01 ~]# systemctl restart network
[root@web01 ~]# ip a s lo
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft foreverinet 10.0.0.3/32 brd 10.0.0.3 scope global lo:1valid_lft forever preferred_lft foreverinet6 ::1/128 scope host valid_lft forever preferred_lft forever
#抑制arp解析
cat >>/etc/sysctl.conf<<EOF
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
EOF
sysctl -p[root@web01 ~]# curl -H host:lvs.tom.com 10.0.0.3
lvs-01
[root@lb01 ~]# yum -y install keepalived
[root@lb01 ~]# cp /etc/keepalived/keepalived.conf{,.back}
[root@lb01 ~]# cat /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalivedglobal_defs {router_id lb01 
}vrrp_instance VI_1 {state MASTERinterface eth0virtual_router_id 51priority 100advert_int 1authentication {auth_type PASSauth_pass 1111}virtual_ipaddress {10.0.0.3/24 dev eth0 label eth0:0}
}virtual_server 10.0.0.3 80 {delay_loop 6lb_algo wrrlb_kind DRpersistence_timeout 20protocol TCPreal_server 10.0.0.7 80 {weight 1TCP_CHECK{connect_timeout 8nb_get_retry 3delay_before_retry 3connect_port 80}}real_server 10.0.0.8 80 {weight 1TCP_CHECK{connect_timeout 8nb_get_retry 3delay_before_retry 3connect_port 80}}
}
[root@lb01 ~]# systemctl restart keepalived

6. TUN模式

概述:DS给数据包加上一层隧道,RS的LO做VIP

LVS-TUN(Tunneling)模式是LVS负载均衡的一种实现方式,通过在前端负载均衡器和后端真实服务器之间建立隧道连接,将客户端请求封装在隧道中传输到后端服务器上进行处理。这种模式需要在前端负载均衡器和后端服务器上配置隧道设备,并使用隧道协议进行数据传输。LVS-TUN模式适用于跨子网或跨网络的场景,可以实现灵活的负载均衡和高可用性,但会引入额外的网络开销和延迟。

IP Tunnel(ip隧道)解决DR模式下RS和DS处于同一网段的问题。ip隧道可以理解为IP in IP, 即发送方在IP头的外部再包装一个IP头,接收方先解出第一层IP头,然后再按照正常流程处理剩下的的IP数据包。

环境准备:RS的LO口设置VIP,RS抑制ARP解析(防止IP冲突)

7. 三种工作模式优缺点

模式

优点

缺点

LVS-NAT

- 简单易配置,不需要对后端服务器进行额外配置

- 支持跨子网负载均衡

- 可以隐藏后端服务器的真实IP地址

- 性能较低,数据包需要经过两次NAT转发

- 后端服务器的响应数据包需要经过前端负载均衡器再返回给客户端

- 单个NAT节点成为性能瓶颈

LVS-DR

- 性能高,请求直接路由到后端服务器,避免了数据包的二次复制

- 后端服务器可以直接与客户端通信,提高响应速度

- 可以支持大规模部署和高并发流量

- 需要在后端服务器上配置虚拟IP地址和直接路由规则

- 后端服务器之间需要保证网络互通

- 不支持跨子网负载均衡

LVS-TUN

- 支持跨子网和跨网络负载均衡

- 灵活配置,适用于复杂网络环境

- 可以实现灵活的负载均衡和高可用性

- 引入额外的网络开销和延迟

- 需要在前端负载均衡器和后端服务器上配置隧道设备及协议

- 隧道连接的建立和维护需要额外的管理和资源消耗

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