1、NAT原理总结
1.1 NAT的产生
由于网络的飞速发展和网络应用的极速增多，致使IPv4可用地址空间逐渐枯竭。尽管IPv6可以在根本上解决地址枯竭问题，但IPv4发展到IPv6还需要一个过渡，而这便产生了NAT。
1.2 NAT的作用
IP地址分为公网IP与私网IP。一般情况下，在互联网中，公网IP可直接访问，私网IP无法直接访问。而NAT则是将私网IP地址转换为公网IP地址（将IP报文头部的私网IP地址改为可以提供访问的公网IP地址），从而实现用户上网功能或服务器在互联网上提供服务。NAT还可以使得一个公网IP代表多个不同的内网IP，这样便节省了IP地址资源。
1.3 NAT的类型与分类
NAT分为静态转换、动态转换、端口转换
- 静态转换：私有地址与公有地址进行一对一的映射。这种一对一映射无法缓解可用公有地址短缺的问题。
- 动态转换：私有地址与公有地址进行一对多的映射。首先建立公有地址地址池，私有地址向外通信时，会从公有地址地址池中选择非在用的公有地址进行映射，当通信结束时，释放映射关系，公有地址重新恢复到地址池中待用。弊端：若私有地址向外通信，而公有地址地址池中无可用公有地址时，会等待公有地址释放后在进行通信。
- 端口转换：在大多数网络中，一般都使用的是IP上的某个端口（如80、443、3389等），所以不需要进行全地址映射，只需要私有地址端口映射到公有地址端口上，直接访问公有地址加端口号的形式便可以。这样可以使得一个公有地址可以对应多个私有地址，从而大大缓解了公有地址紧缺的问题。
- Easy IP：为小型网络，一般为家庭、小型网吧、办公室等内部主机不多的地方。通过拨号方式获取一个临时公网IP地址进行外网的访问。
1.4 扩展：SNAT与DNAT区别
- SNAT是私网访问外网时，报文中源IP地址（私网IP地址）转换为公网IP地址过程。此转换可以使用静态、动态等转换方式，且内部的多台主机共用同一公网IP地址进行外网访问。
- DNAT是外网访问私网时，报文中目的IP地址（公网IP地址）转换为私网IP地址过程。此转换过程可以使用静态、动态、端口等转换方式。
1.5 实例
公司（有固定公网IP地址）上网访问某网站简易过程
- PC访问 www.xxxxxxx.com ，由于存在域名会通过DNS服务器解析域名从而获得公网IP地址。
- PC收到此网站的公网IP地址后，封装数据。源IP为PC的IP地址；目的地址为解析获得的公网IP地址；目的端口号为80。并且将此报文发送给网关设备， 网关设备收到数据报文后通过路由关系发送到出口设备。
- 出口设备配置有NAT转换关系，将报文中的源IP地址转换为公网IP地址。重新封装数据报文后发出。（这一步为SNAT）
- 数据报文到达公有网络上，由于目的IP地址为公网IP地址，通过公网路由关系转发到网站端（服务端）。
- 服务端收到报文后，检查到目的地址为公网IP地址。通过本端配置的NAT映射关系，与公网IP地址相匹配的映射关系中寻找私网IP地址。找到映射关系后，将目的地址转换为私网IP地址（这一步为DNAT）。在通过内部网络路由关系将数据报文转发至相应的服务器。
- 服务器将收到的报文通过相关计算，重新封装报文，发送给用户PC。原理不变，经过多次数据交互。最后用户PC接收到数据报文，网站就被打开了。
2、iptables实现SNAT和DNAT，并对规则持久保存
实现SNAT和DNAT都需要开启内核数据转发功能
[root@localhost ~]# vim /etc/sysctl.conf
# 把下列选项改正1
net.ipv4.ip_forward=0
...
net.ipv4.ip_forward=1
2.1 SNAT
基于nat表的target，适用于固定的公网IP
SNAT选项：
- --to-source [ipaddr[-ipaddr]][:port[-port]]
- --random
语法：
iptables -t nat -A POSTROUTING -s LocalNET ! -d LocalNet -j SNAT --to-source ExtIP
范例：
[root@localhost ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.0.0.0/24 -j SNAT --to-source 192.168.122.103
2.2 DNAT
nat表的target，适用于端口映射，即可重定向到本机，也可以支持重定向至不同主机的不同端口，但不支持多目标，即不支持负载均衡功能
DNAT选项：
- --to-destination [ipaddr[-ipaddr]][:port[-port]]
DNAT语法：
iptables -t nat -A PREROUTING -d ExtIP -p tcp|udp --dport PORT -j DNAT --todestination InterSeverIP[:PORT]
范例：
[root@localhost ~]# iptables -t nat -A PREROUTING -d 192.168.122.103 -p tcp --dport 80 -j DNAT --to-destination 10.0.0.6:80
2.3 iptables规则持久保存：
CentOS 7、8
iptables-save > /PATH/TO/SOME_RULES_FILE
CentOS 6
# 将规则覆盖保存至/etc/sysconfig/iptables文件中
service iptables save
2.4 加载规则
2.4.1 CentOS 7、8 重新载入预存规则文件中规则：
iptables-restore < /PATH/FROM/SOME_RULES_FILE
iptables-restore选项
- -n, --noflush：不清除原有规则
- -t, --test：仅分析生成规则集，但不提交
2.4.2 CentOS 6：
service iptables restart
#会自动从/etc/sysconfig/iptables 重新载入规则
2.5 开机自动重载规则
2.5.1 用脚本保存各iptables命令；让此脚本开机后自动运行
/etc/rc.d/rc.local文件中添加脚本路径 /PATH/TO/SOME_SCRIPT_FILE
用规则文件保存各规则，开机时自动载入此规则文件中的规则
在/etc/rc.d/rc.local文件添加
iptables-restore < /PATH/FROM/IPTABLES_RULES_FILE
2.5.2 定义Unit File, CentOS 7，8 可以安装 iptables-services 实现iptables.service
范例: CentOS 7，8 使用 iptables-services
[root@centos8 ~]# yum -y install iptables-services
[root@centos8 ~]# cp /etc/sysconfig/iptables{,.bak}
#保存现在的规则到文件中方法1
[root@centos8 ~]# /usr/libexec/iptables/iptables.init save
#保存现在的规则到文件中方法2
iptables-save > /etc/sysconfig/iptables
#开机启动
[root@centos8 ~]# systemctl enable iptables.service
3、LVS调度算法总结
3.1 LVS的结构
LVS由前端的负载均衡器(Load Balancer，LB)和后端的真实服务器(Real Server，RS)群组成。RS间可通过局域网或广域网连接。LVS的这种结构对用户是透明的，用户只能看见一台作为LB的虚拟服务器(Virtual Server)，而看不到提供服务的RS群。当用户的请求发往虚拟服务器，LB根据设定的包转发策略和负载均衡调度算法将用户请求转发给RS。RS再将用户请求结果返回给用户。
3.2 LVS内核模型
1.当客户端的请求到达负载均衡器的内核空间时，首先会到达PREROUTING链。
2.当内核发现请求数据包的目的地址是本机时，将数据包送往INPUT链。
3.LVS由用户空间的ipvsadm和内核空间的IPVS组成，ipvsadm用来定义规则，IPVS利用ipvsadm定义的规则工作，IPVS工作在INPUT链上,当数据包到达INPUT链时，首先会被IPVS检查，如果数据包里面的目的地址及端口没有在规则里面，那么这条数据包将被放行至用户空间。
4.如果数据包里面的目的地址及端口在规则里面，那么这条数据报文将被修改目的地址为事先定义好的后端服务器，并送往POSTROUTING链。
5.最后经由POSTROUTING链发往后端服务器。
3.3 LVS的包转发模型
3.3.1 NAT模型：
- 客户端将请求发往前端的负载均衡器，请求报文源地址是CIP(客户端IP),后面统称为CIP)，目标地址为VIP(负载均衡器前端地址，后面统称为VIP)。
- 负载均衡器收到报文后，发现请求的是在规则里面存在的地址，那么它将客户端请求报文的目标地址改为了后端服务器的RIP地址并将报文根据算法发送出去。
- 报文送到Real Server后，由于报文的目标地址是自己，所以会响应该请求，并将响应报文返还给LVS。
- 然后lvs将此报文的源地址修改为本机并发送给客户端。
注意：在NAT模式中，Real Server的网关必须指向LVS，否则报文无法送达客户端。
3.3.2 DR模型：
- 客户端将请求发往前端的负载均衡器，请求报文源地址是CIP，目标地址为VIP。
- 负载均衡器收到报文后，发现请求的是在规则里面存在的地址，那么它将客户端请求报文的源MAC地址改为自己DIP的MAC地址，目标MAC改为了RIP的MAC地址，并将此包发送给RS。
- RS发现请求报文中的目的MAC是自己，就会将次报文接收下来，处理完请求报文后，将响应报文通过lo接口送给eth0网卡直接发送给客户端。
注意：需要设置lo接口的VIP不能响应本地网络内的arp请求。
3.3.3 TUN模型：
①.客户端将请求发往前端的负载均衡器，请求报文源地址是CIP，目标地址为VIP。
②.负载均衡器收到报文后，发现请求的是在规则里面存在的地址，那么它将在客户端请求报文的首部再封装一层IP报文,将源地址改为DIP，目标地址改为RIP,并将此包发送给RS。
③.RS收到请求报文后，会首先拆开第一层封装,然后发现里面还有一层IP首部的目标地址是自己lo接口上的VIP，所以会处理次请求报文，并将响应报文通过lo接口送给eth0网卡直接发送给客户端。
注意：需要设置lo接口的VIP不能在共网上出现。
3.4 LVS的调度算法
LVS的调度算法分为静态与动态两类。
3.4.1 静态算法（4种）：只根据算法进行调度 而不考虑后端服务器的实际连接情况和负载情况
- RR：轮叫调度（Round Robin）
调度器通过”轮叫”调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载｡ - WRR：加权轮叫（Weight RR）
调度器通过“加权轮叫”调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。 - DH：目标地址散列调度（Destination Hash ）
根据请求的目标IP地址，作为散列键(HashKey)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。 - SH：源地址 hash（Source Hash）
源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键(HashKey)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空｡
3.4.2 动态算法（6种）：前端的调度器会根据后端真实服务器的实际连接情况来分配请求
- LC：最少链接（Least Connections）
调度器通过”最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用”最小连接”调度算法可以较好地均衡负载。 - WLC：加权最少连接(默认采用的就是这种)（Weighted Least Connections）
在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用“加权最少链接”调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载｡调度器可以自动问询真实服务器的负载情况,并动态地调整其权值。 - SED：最短延迟调度（Shortest Expected Delay ）
在WLC基础上改进，Overhead = （ACTIVE+1）*256/加权，不再考虑非活动状态，把当前处于活动状态的数目+1来实现，数目最小的，接受下次请求，+1的目的是为了考虑加权的时候，非活动连接过多缺陷：当权限过大的时候，会倒置空闲服务器一直处于无连接状态。 - NQ永不排队/最少队列调度（Never Queue Scheduling NQ）
无需队列。如果有台 realserver的连接数＝0就直接分配过去，不需要再进行sed运算，保证不会有一个主机很空间。在SED基础上无论+几，第二次一定给下一个，保证不会有一个主机不会很空闲着，不考虑非活动连接，才用NQ，SED要考虑活动状态连接，对于DNS的UDP不需要考虑非活动连接，而httpd的处于保持状态的服务就需要考虑非活动连接给服务器的压力。 - LBLC：基于局部性的最少链接（locality-Based Least Connections）
基于局部性的最少链接”调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统｡该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器;若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用“最少链接”的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器｡ - LBLCR：带复制的基于局部性最少连接（Locality-Based Least Connections with Replication）
带复制的基于局部性最少链接”调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统｡它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射｡该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按”最小连接”原则从服务器组中选出一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器超载，则按“最小连接”原则从这个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器｡同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的程度。
