一文搞懂LVS负载均衡工作原理

LVS（Linux Virtual Server）是企业中常用的负载均衡方案，是一种基于Linux 虚拟服务器，也是Linux标准内核的一部分。 它能够实现高性能、高可用的服务器集群，具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。

说白了： LVS就是在计算机网络中，利用Linux虚拟服务器的作为一种媒介，实现请求的负载均衡策略。

 

LVS常用的工作模式主要有：NAT模式、DR模式、TUN模式。

首先，明确一些LVS工作中的一些专业术语。

 

NAT模式

NAT（Network Address Translation）是一种外网和内网地址映射的工作模式。NAT 模式下，数据包的进出都要经过 LVS 的处理，LVS 作为后端服务器的网关。我们将数据包的发送和响应过程进行拆解，分别说明。

请求过程

1. 客户端发送一个数据包，报头包含数据、源IP和目的IP。源IP是客户端PC的IP地址，目的IP是LVS服务器的IP地址。即：数据的寄件人是客户端，收件人是lvs服务器。
2. 当lvs服务器收到数据后，会通过自身的负载均衡策略（轮询、加权轮询等）选中了IDC里面的一台ip地址为RIP的服务器去处理。
3. lvs服务器会将数据包的目的ip从自己的ip更换为服务器的ip地址（VIP-->RIP），源ip地址保持不变，将数据包发出。
4. 后端服务器接收到数据包，进行任务处理。

nat模式 请求过程

当服务器处理完任务后，进入响应的过程。

响应过程

1. 后端服务器将数据包的源ip和目的ip对调，响应时的数据包源ip为RIP，目的ip为CIP。对调后，数据发送回lsv服务器。
2. lvs服务器接收到数据后，目标ip不变，将源ip更换为自己的ip（VIP），然后将数据返回给客户端。

nat模式 响应过程

由此可见，nat模式下lvs服务器充当了中间商的角色，后端服务器对客户端透明（不可见）。这样的工作模式扩展性不好，因为：当服务器节点过多时，所有的请求和应答都经过负载均衡器。此时，大量的数据包都交汇在lvs，效率就会变得非常低。

 

DR模式

相对于nat模式，直接路由(Direct routing)模式做了一些优化，效率更高一些。负载均衡器和后端服务器使用同一个IP对外服务，但只有DR对ARP请求进行响应，所有后端服务器（RS）对源IP的ARP请求保持静默。

DR模式 请求响应过程

1. 客户端以ARP消息的方式通过网络发送数据给lvs服务器和RIP服务器。由于后端服务器对ARP消息静默，所以，只有lvs服务器处理该消息；
2. lvs服务器根据调度算法，将数据包分发给众多后端服务器中的一台。然后将数据包中的源mac地址保留，目的mac地址改成后端服务器的mac地址，发给RIP服务器。
3. RS收到数据包后进行处理，由于IP一致，处理后直接将数据返给客户端。

 

TUN模式

隧道（TUN）模式下，负载均衡器把客户端发来的数据包，封装一个新的IP头标记(仅目的IP)发给RS，RS收到后先把数据包的头解开，还原数据包。RS处理后直接返回给客户端，不需要再经过负载均衡器。整个请求、响应的流程跟DR模式一样的，不多做赘述。

tun模式

需要注意的是： 由于RS需要对负载均衡器发过来的数据包进行还原，一定要支持IP TUNNEL协议才可以。隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持"TP Tunneling(IP Encapsulation)协议。

与DR模式相比，TUN模式有IP隧道的开销，对集群中的后端服务器也必要必须支持IP隧道协议。效率上来讲，还是DR更胜一筹。

总结

以上是计算机组网中lvs负载均衡常用的NAT、DR、TUN模式。从效率上来讲，DR>TUN>NAT。DR模式也是lvs负载均衡中应用最多的一种类型。除此之外还有full-nat模式，原理与nat模式类似，应用较少。