负载均衡原理与实践详解 第五篇 负载均衡时数据包流程详解
负载均衡原理与实践详解 第五篇 负载均衡时数据包流程详解
系列文章：
负载均衡详解第三篇：服务器负载均衡的基本概念-使用负载均衡器的服务器群
负载均衡详解第四篇：服务器负载均衡的基本概念-负载均衡时数据包流程
负载均衡详解第六篇：服务器负载均衡的基本概念-网络地址转换(NAT)
负载均衡详解第七篇：服务器负载均衡的基本概念-服务器直接返回
负载均衡详解第十篇：服务器负载均衡技术进阶-会话保持（下）
我们以下图为例，讨论采用负载均衡器后数据包的流程。
如图所示，有三台服务器，RS1到RS3，还包含三种应用：Web(HTTP)，FTP，和SMTP，分别在三台服务器上运行。在这个例子中，所有的应用都运行在TCP之上，而且每个应用都使用不同的TCP端口。WEB应用在80端口上运行，FTP在21端口上运行，而SMTP在端口25上运行。负载均衡器根据接收的TCP数据包中的目的端口号识别客户端需要访问的应用，并为每个客户请求选择合适的服务器。
选择服务的过程分两步，第一，负载均衡器必须判断哪些服务器上面的应用是可用的。服务器和应用是否可用由健康检查决定，我们将会在后面的章节中详细讨论。第二，负载均衡器采用一种负载均衡算法来选择服务器。常用的复杂均衡算法有轮循、最小连接数、权重、最快响应时间等，负载均衡算法将会在后面的章节详细讨论。
负载均衡器的配置包括以下几个步骤：
1．定义一个VIP：VIP=123.122.121.1；
2．确定哪些应用需要负载均衡：Web、FTP和SMTP；
3．对每个应用，绑定VIP到相应的真实服务器：把RS1和RS2绑定到Web的VIP；把RS1绑定到FTP的VIP；把RS2和RS3绑定到SMTP的VIP。也就是说，VIP的80端口绑定到RS1和RS2的80端口；VIP的21端口绑定到RS1的21端口，依此类推，如上图所示；
4．设置健康检查，用来检查服务器和应用的健康状态；
5．设置负载均衡算法。 通过把VIP绑定到真实服务器的不同TCP端口，我们把服务器和应用分离开，提供了强大的灵活性。举例来说，如果FTP应用的访问量增加，只需要把另外一台服务器绑定到VIP的21端口就可以增加FTP服务的处理能力。如果RS2需要下线维护，我们可以利用负载均衡器实现RS2的无缝停机，也就是停止向RS2发送任何新的请求，并等待所有的在线连接关闭，然后将RS2停机。
注意示例中所有的真实服务器都使用私有IP地址，这样做有两个好处：首先，只用一个公网IP地址，也就是VIP，来表示所有的服务器群可以节省IP地址空间；第二，提高了安全性，任何客户的请求都不能绕过负载均衡器直接访问到服务器。
对于负载均衡器能够做什么，现在我们都了解了，下面看一下采用负载均衡器后数据包的转发流程。
我们用一个简单例子，如下图所示，来了解请求响应过程中数据包的转发流程。
客户端首先建立一个TCP连接，发送HTTP请求，接收服务器响应，并关闭这个TCP连结。建立TCP连接需要三次握手，负载均衡器接收到的TCP SYN请求包含以下信息：
源IP地址：客户端的IP地址；
源端口：客户端用于此TCP连接的端口号码；
目的IP地址：VIP地址；
目的端口：由于请求访问的是WEB应用，所以目的端口是80。
上述四个因素唯一标识了一个TCP会话，当负载均衡器接收到第一个TCP SYN数据包后，假定选择RS2处理这个请求，并将请求发送到RS2。为了让RS2接收TCP SYN数据包并进行处理，必须把数据包的目的地址修改为RS2的私有IP地址，而不是VIP的IP地址。因此，负载均衡器在转发数据包之前会把目的地址修改为RS2的IP地址，这个IP地址转换的过程称为网络地址转换(NAT)。更确切的讲，由于负载均衡器修改的是目的地址，所以也称为目的地址NAT。
当用户敲入www.agilesharp.com之后，浏览器会产生一个DNS查询请求，获取www.agilesharp.com对应的IP地址，也就是VIP。然后客户端的浏览器发送TCP SYN数据包以建立一个新的TCP联接。当负载均衡器接收TCP SYN数据包后，它先确认这个请求是需要做负载均衡的数据包，因为数据包的目的地址是VIP。由于这是一个新的连接，负载均衡器无法在会话表中通过源IP地址、目的IP地址、源端口地址、目的端口地址查到这一个会话。根据负载均衡设置和健康检查的结果，负载均衡器确认RS1和RS2可以接收新建连接。根据预先定义的负载均衡算法，负载均衡器选择RS2来处理这个会话请求。服务器选定之后，负载均衡器在它的会话表中建立一个新的记录，并把数据包的目的IP地址和目的MAC地址修改为服务器RS2的IP地址和MAC地址，然后把数据包发送到RS2。
当接收到TCP SYN包之后，RS2会应答TCP SYN ACK包，数据包的源地址是RS2的IP地址，而目的地址就是客户端的IP地址。负载均衡器接收到这个数据包之后，再把RS2的IP地址修改为VIP的IP地址，并把数据包发送到路由器，最终路由到客户端。这个TCP会话后续所有的请求和回应数据包都是经过同样的流程。最终，当通过FIN或RESET结束或终止这个连接时，负载均衡器在其会话表中删除这个会话记录。
现在我们来跟踪数据包的流程，看一下IP地址和MAC地址是如何改变的。当路由器接收到数据包时，数据包的目的IP地址是VIP，而目的MAC地址是M1，也就是路由器的MAC地址。
第一步，如上图中所示，路由器把目的MAC地址修改为M2并把数据包发送到负载均衡器，M2是负载均衡器的MAC地址。
第二步，负载均衡器把目的IP地址和目的MAC地址修改为RS2的IP地址和MAC地址，并发送到RS2。
第三步，RS2响应客户端的请求。因此，源IP和源MAC都是RS2的地址，而目的IP地址是客户端的IP地址。RS1和RS2的缺省网关是负载均衡器的IP地址。因此，目的MAC地址是负载均衡器的MAC地址。
第四步，负载均衡器接收数据包之后，把源IP地址修改为VIP的地址，使得回应看起来跟VIP发出的一样。这一点非常重要，TCP连接是建立在客户端和VIP之间的，并不是真实服务器，所以回应的数据包必须看起来象是从VIP发出的一样。为了数据包能够正常到达客户端，负载均衡器需要把数据包转发给它的下一跳，也就是路由器。负载均衡器把源MAC地址修改为自己的MAC地址M2，目的MAC地址修改为路由器的MAC地址M1，然后把数据包转发至路由器。
在这个例子中，负载均衡器作为真实服务器的缺省网关。其实，也可以用路由器作为服务器的缺省网关。那样的话，从真实服务器返回的数据包的目的MAC地址为M1，也就是路由器的MAC地址，而负载均衡器对源MAC和目的MAC不做任何改动。对于其他的二、三层交换机和主机而言，负载均衡器就相当于一个二层交换机。
本篇就讨论到这里！下一篇，我们继续！
