[[416980]]  绪言

今天咱们来深度解密一下负载平衡器 LVS 的隐私，信托宇宙看了《你管这破玩意儿叫负载平衡?》这篇著述后，如故有不少疑问，比如 LVS 看起来只消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，今天咱们就来逐步揭开 LVS 的迷雾，本文将会用图解的神气浅入深地磋议 LVS 的使命机制。

最佳宇宙对网罗是如何斡旋的，数据包的收发机制有所了解，这么会很容易通晓本文的学问点，如果对此没主张，激烈提倡宇宙望望我之前写的这篇著述，把网罗是如何斡旋的给你安排得清涌现爽。

没看过也不错误，本文会对一些必要的学问点作念些铺垫，争取让宇宙齐能看懂。

负载平衡器的出身

在很长一段时候内小章公司的 DAU(日活)不跳动 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，迅速全面升级了这台机器的内存，CPU 等成立，暂时扛曩昔了，但小章认识，单机性能无论如何升齐会遭逢瓶颈，是以小章思了个办法，多部署几台机器，将流量平平分派到这几台机器上。

如何分派呢，最通俗的神气，虽然是用 DNS 负载平衡，在域名领会业绩器上拓荒负载平衡计谋，让流量立时打到其中某台机器上。

但这个有筹划有以下两个昭彰的问题：

占用过多公网 IP，要知谈当今租一个公网 IP 关联词要好几千 DNS 缓存可能会引起致命故障

第一个问题加钱就能处置，但第二个问题可不是加钱就能处置的了，因为尽人皆知 DNS 领会是迭代或递归查询，需要经过 根 DNS 业绩器 ->顶级DNS业绩器->巨擘DNS业绩器这三步查找智商领会到域名对应的 ip，可思可知这个领会是有何等耗时，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。

每次发起一个域名领会申请，齐会顺序在以上四个缓存里查找，如果掷中缓存，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，对申请方而言，是感知不到的，那么只消缓存未落伍申请方就会不绝地将将流量打到这台挂掉的机器，引起线上故障，这虽然是不可容忍的。

那该如何办呢，小章俄顷思起了蓄意机界的一个经典名言：「莫得什么是加一层处置不了的问题，如果有，那就再多加一层」，何不在 DNS 与 server 间多加一层，负载平衡的使命让这个中间层来作念，小章思了下脑海中涌现出了以下架构图：

不错看到这个负载平衡器(以下简称 LB)有以下秉性：

对外用公网 ip(以下咱们简称 VIP) 相接统统流量，对内则与真确的业绩器(即 Real Server，以下简称 RS)通讯，与 RS 在统一个内网里 LB 只负载转发申请的使命，内容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

于是网罗拓扑图创新如下：

NAT

接下来的要点即是 LB 是如何使命的了，最初要认识，当咱们说收到一个申请时，内容上收到的是一个数据包，那么这个数据包长啥样呢？

源IP,主义IP，源端口，主义端口，简称 TCP 四元组，四元组独一详情一条贯串，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业绩器，就要把主义 IP 改成业绩器的 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：

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，是以业绩器的网关要拓荒为 LB 的内网 IP(即 192.168.0.1)再将数据包出去，LB 就能收到统统的反应数据包了。

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申请的正确反应。

画外音:客户端申请与反应包的四元组不可变。

修改后的数据包

是以转头一下 LB 的主要使命机制：主若是修改了收支数据包的 IP，最初修改主义 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，只消四元组不变，那么客户端就能平淡地收到其申请的反应，为了让宇宙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，信托宇宙看了通晓会更深远。

从客户端的角度来看，它觉得其与 LB 背后的 RS 通讯，但内容上它仅仅与 LB 通讯，LB 仅仅起到了一个造谣业绩器的作用，是以咱们给它定名为 LVS(Linux Virtual Server)，LVS 仅仅起到了修改 IP 地址况且转发数据包的功能良友，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，网罗地址挽回) 模式，不错看到这种使命模式下，网罗申请包和网罗反应包齐要经过。 LVS。

看到这问题似乎依然完满处置了，但是咱们忽略了一个问题：每个网罗数据包齐是有大小阻挡的。如下图示，在每个数据包中，每个 payload(一般为愚弄层数据)大小一般不可跳动 1460 byte。

也即是说如果在客户端的申请数据(比如 HTTP 申请过大)跳动了 1460 个字节，就要分包传，业绩端收到统统分包后再拼装成完整的愚弄层数据，那么显著，LVS 应该把统一个申请(即四元组疏通)的分包转发给统一个 RS，否则把分包传给不同的 RS，数据就不完整了。是以 LVS 要笔据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统一个 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，然后笔据四元组是否疏通再决定是否转发到统一台 RS 上，四元组对应一个 TCP 斡旋，也即是说 LVS 具有纪录斡旋的功能，而斡旋是传输层的主张。至此信托你认识开首的一个问题：「LVS 起到了转发包的功能，为什么说它是四层负载平衡」。

DR

经过这么的遐想，由于 LVS 负载平衡的作用，松驰处置了单机瓶颈，小章的公司告成渡过了 C10K(并发斡旋 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 逐步扛不住了，因为所稀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 早晚要挂掉。能否让 LVS 只厚爱转发申请包，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过程，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

有筹划有了，那么如何终局呢?这个遐想有筹划有两个选藏点：

最初 LVS 如故要承载统统的申请流量(摄取所稀有据包)，然后再笔据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 相同的 VIP(四元组不可变)，另外由以上拓扑图可知，它们也必须在统一个子网里(严格地说，应该是统一个 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

那么一台主机如何智商有两个 IP 呢?

咱们知谈蓄意隐私上网，最初要把网线插入彀卡，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 ，但多量东谈主不知谈的是一个网卡是不错成立多个 IP 的，另外网卡一般分两种，一种是物理网卡，一种是造谣网卡。

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，比如一台机器只消一个网卡，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隔离为 eth0,eth0:0 造谣网卡：造谣网卡通常被称为 loopback，一般定名为 lo，是一个额外的网罗接口，主要用于本机中各个愚弄之间的网罗交互(哪怕网线拔了，本机各个愚弄之间通过 lo 亦然能通讯的)，需要选藏的是造谣网卡和物理网卡一样，也不错绑定肆意 IP 地址，如果在造谣网卡成立了任何的 IP 地址，只消有物理网卡，就能到收到并处理主义 IP 为造谣网卡上 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：一般业绩器包括 LVS 是以双网卡的体式存在的，一来每个网卡带宽齐是有限的，双网卡突出于教训了一倍的带宽，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。

通晓了以上学问点，咱们不错将拓扑图完善如下：

 

你可能选藏到了 RS 的 VIP 是绑定在 lo:0 造谣网卡上而不是物理网卡上，这是为什么呢，主若是为了保证申请齐打到 LVS 上。

1. arp_ignore=1

最初咱们知谈 LVS 和 RS 齐位于统一个子网，咱们需要了解一下子网的使命机制：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，一启动内网的机器相互不知谈相互的 mac 地址，需要通过 arp 机制来笔据 IP 得回其对应的 mac，得回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。

是以当客户端申请 VIP 后，申请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 申请但愿拿到 VIP 对应的 mac 地址。

那么当今问题来了，由于三台机器的 IP 齐为疏通的 VIP，如果齐反应了 arp 申请，就突出于一个 IP 对应了三个 mac，路由器该用谁的 mac 地址呢?

处置有筹划很通俗：由于申请齐要经过 LVS，是以只让 LVS 反应 arp，扼制住另外两台 RS 对 VIP 的 arp 反应即可，不外申请到达 LVS 后，LVS 还要将包转发给 RS(假定为 RS2 吧)，此时也要用到 arp 来得回 RS 的 mac 地址，但是选藏从 LVS 发起的 arp 申请主义 IP 形成了 RS2 的内网 IP：115.205.4.217(绑定在物理网卡 eth0 上)。

说七说八， RS 不可反应主义 IP 为造谣网卡绑定的 VIP 的 arp 申请，但能反应主义 IP 为物理网卡绑定的 IP 的 arp 申请，这即是为什么 RS 需要把 VIP 绑定在造谣网卡上，而把内网 IP 绑定在物理网卡上的真确原因，即是为了 arp 反应的需要。

虽然一般业绩器默许齐会反应统统 IP 的 arp 反应，是以需要对 RS 作念稀奇成立，即：

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

拓荒的 arp_ignore=1 暗示的含义如下：

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

即咱们上述所说的，只反应主义 IP 为摄取网卡(即物理网卡)上的 IP 的 arp 申请(会忽略主义 IP 为造谣网卡 上 VIP 的 arp 申请)。

作了以上的拓荒后由于针对 VIP 的 arp 申请只消 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)，是以不错保证统统申请齐会打到 LVS 上，然后 LVS 也告成地将数据包发给了 RS2，RS2 处理好后就准备把数据包从网卡发出了，但这里需要选藏，RS2 可不可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，问即是公约栈的关系)，是以咱们需要稀奇成立一下，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，主义 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 如何将数据包传给它的网关(即路由器)呢，由于它们如故在统一个子网，是以亦然通过 arp 的神气先得回到网关的 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选藏，通过 arp 得回网关的 mac 时，网卡会发送一个包含「源IP」，「主义 IP」,「源 mac」的 arp 播送包。

通常情况下源 IP 不错选拔为数据包的源 IP，也不错选拔为物理网卡上的 IP，但在 DR 模式下这里的源 IP 只可选拔为物理网卡上 IP，这是为什么呢？

咱们知谈主义 IP 是网关 IP，是以网关会反应这个 arp 申请，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，还牢记上文中路由器的 arp 缓存表依然保存了 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!这么下一次客户端申请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 得回网关的 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立：

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

arp_announce=2 暗示的是忽略 IP 数据包的源 IP 地址，选拔该发送网卡上最合适的腹地地址算作 arp 申请的源 IP 地址

上头这段有点绕，宇宙不错多读几遍好好体会一下，其实主要主义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 上作念稀奇的成立，是以线上一般使用 NAT 模式

FullNAT

但问题又来了，该如何处置 NAT 模式下 LVS 的单点问题呢，毕竟统统收支流量齐出入统一台 LVS(因为 RS 的网关只消有一个)，在 RS 握住扩容下，单点 LVS 很可能成为高大的隐患，而且 LVS 要算作统统 RS 的网关，意味着他们要在统一个网段下。

如果在阿里云这些公有云平台上部署投降不实践，因为在公有云上，很可能 RS 是分散在各地的，这就意味着要跨 vlan 来通讯，而 NAT 显著不稳妥条款，于是在 NAT 的基础上又繁衍出了 FullNAT，FullNAT 其实即是为了公有云而生的。

FullNAT

NAT 模式下，LVS 只将数据包的主义 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)，选藏上图 LVS 内网 IP 和 RS 的 IP 是不错在不同网段下的，通常在公有云平台上，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 齐不错将申请转发给 RS。

如图示，部署了两台 LVS，它们内网与 RS 的不在统一个网段，照样能通讯，部分读者可能会选藏到一个问题：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，惟恐候 client_ip 对咱们分析数据有很进犯的作用(比如分析下单在不同地域分散情况就需要 client_ip)，针对这种情况，LVS 会在收到申请包后在数据包的 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 上只消装配了 TOA 模块就能从中读取 client_ip，TCP 的这个 option 的字段也指示咱们在作念手艺有筹划遐想的时候适合的增多一些冗余字段能让你的方法可推广性更好。

转头

至此，信托宇宙依然认识了 LVS 的 NAT，DR ，FullNAT 的使命机制了，内容上 LVS 还有个 TUNNEL 纯正模式，仅仅分娩上不如何用，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，另外选藏虚线部分，备机还不错感知到业绩器的存活，如果业绩器挂了， 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 花式的开发，一启动只消 NAT,DR，TUNNEL 三种模式，但自后跟着阿里云云上业绩的崛起，这三种模式齐无法兴盛内容的部署需要，是以他又辅导其部属基于 NAT 来作念改良出身了 FullNAT，值得一提的是 LVS 是少数几个国东谈主开发并得到 Linux 官方招供的开源软件，已集成进 Linux 内核，可见这一花式的高大价值与孝顺。

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