LVS负载均衡NAT模式原理介绍以及配置实战

LVS基本原理

流程解释:

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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

对LVS基本概念不太了解的,先维基百科或者参考:Linux负载均衡LVS理论以及算法概要

LVS 的组成

LVS 由 2 部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. 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。
2. 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)

上面的步骤中,数据包达到RS后,如何返回,有不同的方式,如果直接沿着RS=>DS=>Client方式返回,那么就是这篇文章要总结的NAT模式:

NAT 模式原理

重点理解 NAT 方式的实现原理和数据包的改变。

NAT模式的数据包请求流程

(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，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
(4). POSTROUTING 链通过选路，将数据包发送给 Real Server
(5). Real Server 比对发现目标为自己的 IP，开始构建响应报文发回给 Director Server。 此时报文的源 IP 为 RIP，目标 IP 为 CIP
(6). Director Server 在响应客户端前，此时会将源 IP 地址修改为自己的 VIP 地址，然后响应给客户端。 此时报文的源 IP 为 VIP，目标 IP 为 CIP

LVS/NAT 模型的特性

• RS 应该使用私有地址，RS 的网关必须指向 DIP
• DIP 和 RIP 必须在同一个网段内
• 请求和响应报文都需要经过 Director Server，高负载场景中，Director Server 易成为性能瓶颈
• 支持端口映射
• RS 可以使用任意操作系统
• 缺陷：对 Director Server 压力会比较大，请求和响应都需经过 director server

NAT（Network Address Translation 网络地址转换）是一种外网和内外地址映射的技术，内网可以是私有网址，外网可以使用 NAT 方法修改数据报头，让外网与内网能够互相通信。NAT 模式下，网络数据报的进出都要经过 LVS 的处理。LVS 需作为 RS（真实服务器）的网关。当包到达 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，仿佛是客户端直接发给它的一样。RS 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（LVS）中转，LVS 会做源地址转换（SNAT），将包的源地址改为 VIP，这样，这个包对客户端看起来就仿佛是 LVS 直接返回给它的。客户端无法感知到后端 RS 的存在。

（1）RIP 和 DIP 必须在同一个 IP 网络，且应该使用私网地址；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）VS 必须是 Linux 系统，RS可以是任意系统；

NAT模式的优点以及缺点

缺点：在整个过程中，所有输入输出的流量都要经过 LVS 调度服务器。显然，LVS 调度服务器的网络 I/O 压力将会非常大，因此很容易成为瓶颈，特别是对于请求流量很小，而响应流量很大的 Web 类应用来说尤为如此。

优点：NAT 模式的优点在于配置及管理简单，由于了使用 NAT 技术，LVS 调度器及应用服务器可以在不同网段中，网络架构更灵活，应用服务器只需要进行简单的网络设定即可加入集群。

配置 LVS-NAT

DS端

# Install keepalived
# Ubuntu
apt-get install keepalived ipvsadm
# CentOS
yum install keepalived ipvsadm

# update iptables
vim /etc/sysconfig/iptables

# For keepalived:
# allow vrrp 
-A INPUT -p vrrp -j ACCEPT
-A INPUT -p igmp -j ACCEPT
# allow multicast
-A INPUT -d 224.0.0.18 -j ACCEPT

# reload iptables
service iptables reload

# open ip_forward
echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# edit sysctl.conf
vi /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1

sysctl -p

# keepalived for lvs-nat
vim /etc/keepalived/keepalived.conf

vrrp_sync_group NC-MAIN-API {
    group {
        NC-MAIN-API-PUB
    }
}

vrrp_instance NC-MAIN-API-PUB {
    state BACKUP
    interface bond1
    virtual_router_id 222
    priority 100
    advert_int 1
    nopreempt
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        xx.xx.xx.xx/25 dev bond1
    }
}

virtual_server xx.xx.xx.xx 15000 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind NAT
    protocol TCP

    real_server 10.71.12.69 15000 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 15000
        }
    }
    real_server 10.71.12.76 15000 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 15000
        }
    }
}

# enable and start keepalived
systemctl start keepalived
systemctl enable keepalived
watch ipvsadm -L -n --stats

RS端

修改默认网关指向 NAT 的 VIP 地址