前言

本文主要讲述LVS-NAT原理介绍和配置实践，HA高可用方案基于Keepalived。

LVS-NAT原理介绍和配置实践

更新历史

2019年09月03日 - 拆分LVS-Keepalived中LVS-NAT
2019年08月23日 - 更新LVS/NAT、LVS/DR、LVS/TUN三种模式的原理和配置实践
2018年12月03日 - 精简和更新配置步骤
2018年07月31日 - 初稿

阅读原文 - https://wsgzao.github.io/post/lvs-nat/

扩展阅读

LVS - http://www.linuxvirtualserver.org/zh/index.html
Keepalived - http://www.keepalived.org/

ReadMe

参考文章

Virtual Server via NAT - http://www.linuxvirtualserver.org/VS-NAT.html
LVS和Keepalived官方中文手册PDF - https://pan.baidu.com/s/1s0P6nUt8WF6o_N3wdE3uKg

相关术语

以下术语涉及LVS三种工作模式的原理

• LB (Load Balancer 负载均衡)
• HA (High Available 高可用)
• Failover (失败切换)
• Cluster (集群)
• LVS (Linux Virtual Server Linux 虚拟服务器)
• DS (Director Server)，指的是前端负载均衡器节点
• RS (Real Server)，后端真实的工作服务器
• VIP (Virtual IP)，虚拟的IP地址，向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的 IP 地址
• DIP (Director IP)，主要用于和内部主机通讯的 IP 地址
• RIP (Real Server IP)，后端服务器的 IP 地址
• CIP (Client IP)，访问客户端的 IP 地址

LVS三种模式的主要区别

LVS基本工作原理

image

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

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)

LVS和Keepalived

在lvs+keepalived环境里面，lvs主要的工作是提供调度算法，把客户端请求按照需求调度在real服务器，keepalived主要的工作是提供lvs控制器的一个冗余，并且对real服务器做健康检查，发现不健康的real服务器，就把它从lvs集群中剔除，real服务器只负责提供服务。

LVS/NAT

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重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。

(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；

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

# 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

修改默认网关指向NAT的VIP地址

LVS和Keepalived系列

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