[[416980]]  【ONED-900】新人×ギリギリモザイク 新人ギリギリモザイク Ami2008-04-07エスワン ナンバーワンスタイル&$S1118分钟序论

今天咱们来深度解密一下负载平衡器 LVS 的高明，信赖天下看了《你管这破玩意儿叫负载平衡?》这篇著作后，照旧有不少疑问，比如 LVS 看起来唯有近似路由器的转发功能，为啥说它是四层(传输层)负载平衡器呢【ONED-900】新人×ギリギリモザイク 新人ギリギリモザイク Ami2008-04-07エスワン ナンバーワンスタイル&$S1118分钟，今天咱们就来逐渐揭开 LVS 的迷雾，本文将会用图解的方式浅入深地探讨 LVS 的责任机制。

最佳天下对网罗是如何集会的，数据包的收发机制有所了解，这么会很容易结伴本文的常识点，如果对此没办法，横暴提出天下望望我之前写的这篇著作，把网罗是如何集会的给你安排得清领会爽。

没看过也不首要，本文会对一些必要的常识点作念些铺垫，争取让天下齐能看懂。

负载平衡器的出身

在很长一段时候内小章公司的 DAU(日活)不跳跃 10，是以他只部署了一台机器，毕竟多一台机器要加钱，而且就算挂了也影响不了几个用户。

但意外间小章的业务踩中了风口，业务量暴涨，dau 达到了好几万，眼看就要冲突十万，小章慌了，赶快全面升级了这台机器的内存，CPU 等成就，暂时扛当年了，但小章明白，单机性能岂论怎么升齐会遭受瓶颈，是以小章思了个办法，多部署几台机器，将流量平平分拨到这几台机器上。

怎么分拨呢，最精辟的方式，虽然是用 DNS 负载平衡，在域名解析处事器上开导负载平衡计谋，让流量速即打到其中某台机器上。

但这个决策有以下两个彰着的问题：

占用过多公网 IP，要知说念当今租一个公网 IP 然则要好几千 DNS 缓存可能会引起致命故障

第一个问题加钱就能处理，但第二个问题可不是加钱就能处理的了，因为人所共知 DNS 解析是迭代或递归查询，需要经过 根 DNS 处事器 ->顶级DNS处事器->巨擘DNS处事器这三步查找才挽回析到域名对应的 ip，可思可知这个解析是有何等耗时，是以一般会有 DNS 缓存，DNS 缓存主要有「浏览器缓存」，「操作系统缓存」，「路由器缓存」，「ISP 缓存」四种。

每次发起一个域名解析央求，齐会交替在以上四个缓存里查找，如果射中缓存，则径直复返此域名对应的 IP，其中像 Chrome 缓存 1 分钟， ISP 缓存可能高达 1~2 个小时，于是问题就来了，如果某台机器宕机，但由于以上四个缓存中依然可能会有此域名的 IP 缓存，对央求方而言，是感知不到的，那么只须缓存未落后央求方就会赓续地将将流量打到这台挂掉的机器，引起线上故障，这虽然是不行容忍的。

那该怎么办呢，小章一会儿思起了推敲机界的一个经典名言：「莫得什么是加一层处理不了的问题，如果有，那就再多加一层」，何不在 DNS 与 server 间多加一层，负载平衡的责任让这个中间层来作念，小章思了下脑海中清晰出了以下架构图：

不错看到这个负载平衡器(以下简称 LB)有以下特色：

对外用公网 ip(以下咱们简称 VIP) 不绝整个流量，对内则与竟然的处事器(即 Real Server，以下简称 RS)通讯，与 RS 在合并个内网里 LB 只负载转发央求的责任，履行的处理逻辑交由其背后的 RS，RS 处理完后将反应包发给 LB，然后 LB 再复返给 client

于是网罗拓扑图翻新如下：

NAT

接下来的要点即是 LB 是如何责任的了，最初要明白，当咱们说收到一个央求时，履行上收到的是一个数据包，那么这个数据包长啥样呢？

源IP，主见IP，源端口，主见端口，简称 TCP 四元组，四元组独一细目一条集会，在传输过程中四元组是不会变的，当今 LB 收到这个数据包之后，思将其转发给其背后的处事器，就要把主见 IP 改成处事器的 IP(假定为第二台机器，其 IP 地址为 192.168.0.3)，那么修改后的数据包如下：

国内试镜

当 RS 处理好后，由于这个数据包还要经过 LB 再转发给客户端，是以处事器的网关要开导为 LB 的内网 IP(即 192.168.0.1)再将数据包出去，LB 就能收到整个的反应数据包了。

此时的数据包如下：

为什么 RS 的反应包要经过 LB 呢，因为为了保证四元组不变，LB 收到数据包后要将源 IP 改为 VIP，客户端才会识别到这是对之前央求的正确反应。

画外音:客户端央求与反应包的四元组不行变。

【ONED-900】新人×ギリギリモザイク 新人ギリギリモザイク Ami2008-04-07エスワン ナンバーワンスタイル&$S1118分钟

修改后的数据包

是以追念一下 LB 的主要责任机制：主如果修改了收支数据包的 IP，最初修改主见 IP 为其 RS 的 IP，将包传给 RS 处理，RS 处理完后再将包发给网关(LB)，LB 再修改源 IP 为其出口的 VIP，只须四元组不变，那么客户端就能往常地收到其央求的反应，为了让天下更直不雅地感受负载平衡的对 IP 的修改，我作念了一张动图，信赖天下看了结伴会更深切。

从客户端的角度来看，它认为其与 LB 背后的 RS 通讯，但履行上它仅仅与 LB 通讯，LB 仅仅起到了一个虚构处事器的作用，是以咱们给它定名为 LVS(Linux Virtual Server)，LVS 仅仅起到了修改 IP 地址何况转发数据包的功能辛劳，由于它在数据包的收支过程中齐修改了 IP 地址，咱们称这模式为 NAT(Network Address Translation，网罗地址出动) 模式，不错看到这种责任模式下，网罗央求包和网罗反应包齐要经过。 LVS。

看到这问题似乎照旧圆善处理了，但是咱们忽略了一个问题：每个网罗数据包齐是有大小收尾的。如下图示，在每个数据包中，每个 payload(一般为专揽层数据)大小一般不行跳跃 1460 byte。

也即是说如果在客户端的央求数据(比如 HTTP 央求过大)跳跃了 1460 个字节，就要分包传，处事端收到整个分包后再拼装成完整的专揽层数据，那么明显，LVS 应该把合并个央求(即四元组相通)的分包转发给合并个 RS，否则把分包传给不同的 RS，数据就不完整了。是以 LVS 要把柄四元组来纪录包应该转发给哪一个 RS，四元组一样的数据包齐转发给合并个 RS。

四元组的 IP 是在 IP Header 中，而端标语在 TCP Header 中，这意味着 LVS 需要卸下 TCP Header 拿到端标语，然后把柄四元组是否相通再决定是否转发到合并台 RS 上，四元组对应一个 TCP 集会，也即是说 LVS 具有纪录集会的功能，而集会是传输层的办法。至此信赖你明白开始的一个问题：「LVS 起到了转发包的功能，为什么说它是四层负载平衡」。

DR

经过这么的预料打算，由于 LVS 负载平衡的作用，简陋处理了单机瓶颈，小章的公司胜利渡过了 C10K(并发集会 1 万)，C20K，。。。。的问题，渡过了瓶颈期，但跟着并发数越来越高，小章发现了一个大问题，LVS 逐渐扛不住了，因为所罕有据包的收支齐要经过它，这让它成为了很大的瓶颈，跟着 RS 水平推广数目越来越多， LVS 晨夕要挂掉。能否让 LVS 只厚爱转发央求包，但反应的数据包径直经由 RS 复返给客户端呢，近似底下这么：

画外音：红色虚线为数据包的流转经过，不错看到反应数据包不经过 LVS

这么的话反应包就无谓经过 LVS 了，LVS 的负载压力当然开释了，咱们把这种模式称为 DR(Direct Router，径直路由)模式

决策有了，那么怎么兑现呢?这个预料打算决策有两个凝视点：

最初 LVS 照旧要承载整个的央求流量(接纳所罕有据包)，然后再把柄负载平衡算法转发给 RS RS 处理完后是不经过 LVS，径直将数据包转发给路由器再发给客户端的，意味着 RS 必须要有与 LVS 相似的 VIP(四元组不行变)，另外由以上拓扑图可知，它们也必须在合并个子网里(严格地说，应该是合并个 vlan，因为是通过交换机通讯的)，这就意味着 LVS 和 RS 齐必须要有两个 IP，一个 VIP，一个子网 IP

那么一台主机如何才调有两个 IP 呢?

咱们知说念推敲隐秘上网，最初要把网线插上钩卡，一个网卡其实就对应着一个 IP，是以一台主机配两个网卡就有两个 IP ，但大齐东说念主不知说念的是一个网卡是不错成就多个 IP 的，另外网卡一般分两种，一种是物理网卡，一种是虚构网卡。

物理网卡：不错插网线的网卡，如果有多个网卡，咱们一般将其定名为 eth0，eth1。。。，如果一个网卡对应多个 IP，以 eth0 为例，一般将其定名为 eth0，eth0:0，eth0:1。。。eth0:x，比如一台机器唯有一个网卡，但其对应两个 IP 192.168.1.2， 192.168.1.3，那么其绑定的网卡称呼差异为 eth0，eth0:0 虚构网卡：虚构网卡时时被称为 loopback，一般定名为 lo，是一个特殊的网罗接口，主要用于本机中各个专揽之间的网罗交互(哪怕网线拔了，本机各个专揽之间通过 lo 亦然能通讯的)，需要凝视的是虚构网卡和物理网卡一样，也不错绑定大肆 IP 地址，如果在虚构网卡成就了任何的 IP 地址，只须有物理网卡，就能到收到并处理主见 IP 为虚构网卡上 IP 的数据包，lo 默许绑定了 127.0.0.1 这个腹地 IP ，如果要绑定其他的 IP，对应的网卡定名一般为 lo:0，lo:1。。。

画外音：一般处事器包括 LVS 是以双网卡的口头存在的，一来每个网卡带宽齐是有限的，双网卡相当于升迁了一倍的带宽，二来两个网卡也起到了热备的作用，如果一个网卡坏了，另外一个不错顶上。

结伴了以上常识点，咱们不错将拓扑图完善如下：

 

你可能凝视到了 RS 的 VIP 是绑定在 lo:0 虚构网卡上而不是物理网卡上，这是为什么呢，主如果为了保证央求齐打到 LVS 上。

1. arp_ignore=1

最初咱们知说念 LVS 和 RS 齐位于合并个子网，咱们需要了解一下子网的责任机制：子网一般称为以太网，主要用 mac 地址来通讯，位于 ISO 模子的二层，一开动内网的机器相互不知说念相互的 mac 地址，需要通过 arp 机制来把柄 IP 获得其对应的 mac，获得之后最初会在腹地的 arp 表纪录此 IP 对应的 mac(下次就径直在腹地缓存查找 mac)，然后会在包头上附上 IP 对应的 mac，再将包传输出去，交换机就会找到对应的机器了。

是以当客户端央求 VIP 后，央求到达了上图中的路由器，路由器要转发给此 IP 对应的机器，于是它最初发起了一个 arp 央求但愿拿到 VIP 对应的 mac 地址。

那么当今问题来了，由于三台机器的 IP 齐为相通的 VIP，如果齐反应了 arp 央求，就相当于一个 IP 对应了三个 mac，路由器该用谁的 mac 地址呢?

处理决策很精辟：由于央求齐要经过 LVS，是以只让 LVS 反应 arp，约束住另外两台 RS 对 VIP 的 arp 反应即可，不外央求到达 LVS 后，LVS 还要将包转发给 RS(假定为 RS2 吧)，此时也要用到 arp 来获得 RS 的 mac 地址，但是凝视从 LVS 发起的 arp 央求主见 IP 酿成了 RS2 的内网 IP：115.205.4.217(绑定在物理网卡 eth0 上)。

总而言之， RS 不行反应主见 IP 为虚构网卡绑定的 VIP 的 arp 央求，但能反应主见 IP 为物理网卡绑定的 IP 的 arp 央求，这即是为什么 RS 需要把 VIP 绑定在虚构网卡上，而把内网 IP 绑定在物理网卡上的竟然原因，即是为了 arp 反应的需要。

虽然一般处事器默许齐会反应整个 IP 的 arp 反应，是以需要对 RS 作念特殊成就，即：

net.ipv4.conf.all.arp_ignore=1 net.ipv4.conf.lo.arp_ignore=1 

开导的 arp_ignore=1 示意的含义如下：

1 - reply only if the target IP address is local address configured on the incoming interface 

即咱们上述所说的，只反应主见 IP 为接纳网卡(即物理网卡)上的 IP 的 arp 央求(会忽略主见 IP 为虚构网卡 上 VIP 的 arp 央求)。

作了以上的开导后由于针对 VIP 的 arp 央求唯有 LVS 会反应(路由器收到 LVS 的 arp 反应后会在 arp 缓存内外纪录 VIP 的 mac 地址为 LVS 的mac)，是以不错保证整个央求齐会打到 LVS 上，然后 LVS 也胜利地将数据包发给了 RS2，RS2 处理好后就准备把数据包从网卡发出了，但这里需要凝视，RS2 可不行径直把数据包通过物理网卡 eth0 传出去的，这么会导致数据包的源 IP 被修改为 eth0 的 IP(即 115.205.4.217)，会导致四元组发生变化(别问为什么，问即是契约栈的关系)，是以咱们需要特殊成就一下，让数据包使用 lo 接口发送，如下：

route add -host 115.205.4.214 dev lo:0 # 添加一条路由，主见 IP 为 VIP 的数据包使用 lo 接口发送，这么反应报文的源 IP 就会为 VIP 

然后再通过 eth0 发出去，这么可保证四元组不会发生变化。

2. arp_announce=2

接下来还有一个问题，RS2 怎么将数据包传给它的网关(即路由器)呢，由于它们照旧在合并个子网，是以亦然通过 arp 的方式先获得到网关的 mac，然后在以太网包头上装上网关的 mac 传给网关的。

但这里有一个点需要凝视，通过 arp 获得网关的 mac 时，网卡会发送一个包含「源IP」，「主见 IP」，「源 mac」的 arp 播送包。

时时情况下源 IP 不错遴荐为数据包的源 IP，也不错遴荐为物理网卡上的 IP，但在 DR 模式下这里的源 IP 只可遴荐为物理网卡上 IP，这是为什么呢？

咱们知说念主见 IP 是网关 IP，是以网关会反应这个 arp 央求，但同期网关在收到这个 arp 反应后也会在腹地的 arp 表更新：源 IP => 源 mac 这一项，这里的源 mac 为 RS2 的 mac，还铭刻上文中路由器的 arp 缓存表照旧保存了 LVS 的 VIP 与 LVS 的 mac 的对应关系了吗，也即是说从 RS2 发出的 arp ，源 IP 如果是数据包的源 IP(即 VIP)，网关收到 arp 后会在路由表更新 VIP 的 mac 地址为 RS2 的 mac 的地址!这么下一次客户端央求路由器就会径直把数据包转发给 RS2 而不会经过 LVS!是以 RS2 要发 arp 获得网关的 mac 时使用的源 IP 应该为其物理网卡(eth0)对应的 IP(即 115.205.4.217)，这么就幸免了上述问题，与 arp_ignore=1 一样，这一项也需要咱们手动成就：

net.ipv4.conf.all.arp_announce=2 net.ipv4.conf.lo.arp_announce=2 

arp_announce=2 示意的是忽略 IP 数据包的源 IP 地址，遴荐该发送网卡上最合适的腹地地址手脚 arp 央求的源 IP 地址

上头这段有点绕，天下不错多读几遍好好体会一下，其实主要主见即是为了幸免路由器的 ARP 缓存表误更新 VIP 的 mac 为 RS 的 mac

从上头的先容不错看出 DR 模式是比拟复杂的，需要在 RS 上作念特殊的成就，是以线上一般使用 NAT 模式

FullNAT

但问题又来了，该怎么处理 NAT 模式下 LVS 的单点问题呢，毕竟整个收支流量齐出入合并台 LVS(因为 RS 的网关唯有有一个)，在 RS 约束扩容下，单点 LVS 很可能成为繁多的隐患，而且 LVS 要手脚整个 RS 的网关，意味着他们要在合并个网段下。

如果在阿里云这些公有云平台上部署信赖不现实，因为在公有云上，很可能 RS 是漫衍在各地的，这就意味着要跨 vlan 来通讯，而 NAT 明显不合乎条件，于是在 NAT 的基础上又滋生出了 FullNAT，FullNAT 其实即是为了公有云而生的。

FullNAT

NAT 模式下，LVS 只将数据包的主见 IP 改成了 RS 的 IP，而在 FullNAT 模式下，LVS 还会将源 IP 地址也改为 LVS 的内网 IP(修改 IP 主要由 LVS 的内核模块 ip_vs 来操作)，凝视上图 LVS 内网 IP 和 RS 的 IP 是不错在不同网段下的，时时在公有云平台上，它们是部署在 intranet 即企业内网中的，这么的话 LVS 就不错跨网段和 RS 通讯了，也幸免了 LVS 的单点瓶颈，多台 LVS 齐不错将央求转发给 RS。

如图示，部署了两台 LVS，它们内网与 RS 的不在合并个网段，照样能通讯，部分读者可能会凝视到一个问题：LVS 转发给 RS 的数据包源 IP(即客户端 IP，client_ip)被替换成了内网 IP，这就意味着 RS 收到的数据包是不含有 client_ip 的，无意候 client_ip 对咱们分析数据有很热切的作用(比如分析下单在不同地域漫衍情况就需要 client_ip)，针对这种情况，LVS 会在收到央求包后在数据包的 TCP Header 中插入。 client_ip。

上图即是是 TCP Header，client_ip 即是放在 tcp option 字段中的，然后 RS 上只须装置了 TOA 模块就能从中读取 client_ip，TCP 的这个 option 的字段也领导咱们在作念技能决策预料打算的时候适合的增多一些冗余字段能让你的要道可推广性更好。

追念

至此，信赖天下照旧明白了 LVS 的 NAT，DR ，FullNAT 的责任机制了，履行上 LVS 还有个 TUNNEL 纯正模式，仅仅坐蓐上不怎么用，是以不作念先容，另外每个 LVS 一般会作念双机热备，如下，备机通过定时发送心跳包能感受到 LVS 主机的存活，另外凝视虚线部分，备机还不错感知到处事器的存活，如果处事器挂了， LVS 会将其剔除，保证 LVS 转发的流量不会打到宕掉的机器上。

文中的小章即是章文嵩博士，1998 年他主导了 LVS 神气的开发，一开动唯有 NAT，DR，TUNNEL 三种模式，但其后跟着阿里云云上处事的崛起，这三种模式齐无法缓和履行的部署需要，是以他又率领其部下基于 NAT 来作念矫正出身了 FullNAT，值得一提的是 LVS 是少数几个国东说念主开发并得到 Linux 官方招供的开源软件，已集成进 Linux 内核，可见这一神气的繁多价值与孝敬。

本文转载自微信公众号「码海」，不错通过以下二维码良善。转载本文请干系码海公众号。