LVS负载均衡之NAT模式
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· 2021-04-27
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1、LVS的NAT模式介绍
2、LVS的NAT模式部署过程
2.1 配置lvs服务器为路由器
2.2 web服务器准备
2.3 lvs服务器配置
2.4 keepalived结合lvs_NAT模式
本文来自我的博客旧文章~
1、LVS的NAT模式介绍
参考自官网：http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs3.html
由于IPv4中IP地址空间的日益紧张和安全方面的原因，很多网络使用保留IP地址（10.0.0.0/255.0.0.0、 172.16.0.0/255.128.0.0和192.168.0.0/255.255.0.0）[64, 65, 66]。这些地址不在Internet上使用，而是专门为内部网络预留的。当内部网络中的主机要访问Internet或被Internet访问时，就需要 采用网络地址转换（Network Address Translation, 以下简称NAT），将内部地址转化为Internets上可用的外部地址。NAT的工作原理是报文头（目标地址、源地址和端口等）被正确改写后，客户相信 它们连接一个IP地址，而不同IP地址的服务器组也认为它们是与客户直接相连的。由此，可以用NAT方法将不同IP地址的并行网络服务变成在一个IP地址 上的一个虚拟服务。VS/NAT的体系结构如图所示。在一组服务器前有一个调度器，它们是通过Switch/HUB相连接的。这些服务器 提供相同的网络服务、相同的内容，即不管请求被发送到哪一台服务器，执行结果是一样的。服务的内容可以复制到每台服务器的本地硬盘上，可以通过网络文件系 统（如NFS）共享，也可以通过一个分布式文件系统来提供。
客户通过Virtual IP Address（虚拟服务的IP地址）访问网络服务时，请求报文到达调度器，调度器根据连接调度算法从一组真实服务器中选出一台服务器，将报文的目标地址Virtual IP Address改写成选定服务器的地址，报文的目标端口改写成选定服务器的相应端口，最后将修改后的报文发送给选出的服务器。同时，调度器在连接Hash 表中记录这个连接，当这个连接的下一个报文到达时，从连接Hash表中可以得到原选定服务器的地址和端口，进行同样的改写操作，并将报文传给原选定的服务 器。当来自真实服务器的响应报文经过调度器时，调度器将报文的源地址和源端口改为Virtual IP Address和相应的端口，再把报文发给用户。我们在连接上引入一个状态机，不同的报文会使得连接处于不同的状态，不同的状态有不同的超时值。在TCP连接中，根据标准的TCP有限状态机进行状态迁移，这里我们不一一叙述，请参见W. Richard Stevens的《TCP/IP Illustrated Volume I》；在UDP中，我们只设置一个UDP状态。不同状态的超时值是可以设置的，在缺省情况下，SYN状态的超时为1分钟，ESTABLISHED状态的超 时为15分钟，FIN状态的超时为1分钟；UDP状态的超时为5分钟。当连接终止或超时，调度器将这个连接从连接Hash表中删除。
这样，客户所看到的只是在Virtual IP Address上提供的服务，而服务器集群的结构对用户是透明的。对改写后的报文，应用增量调整Checksum的算法调整TCP Checksum的值，避免了扫描整个报文来计算Checksum的开销。在一些网络服务中，它们将IP地址或者端口号在报文的数据中传送，若我们只对报文头的IP地址和端口号作转换，这样就会出现不一致性，服务会中断。所以，针对这些服务，需要编写相应的应用模块来转换报文数据中的IP地址或者端口号。我们所知道有这个问题的网络服务有FTP、IRC、H.323、 CUSeeMe、Real Audio、Real Video、Vxtreme / Vosiac、VDOLive、VIVOActive、True Speech、RSTP、PPTP、StreamWorks、NTT AudioLink、NTT SoftwareVision、Yamaha MIDPlug、iChat Pager、Quake和Diablo。简单来说，这种模式借助iptables的nat表来实现
用户的请求到分发器后，通过预设的iptables规则，把请求的数据包转发到后端的rs上去rs需要设定网关为分发器的内网ip用户请求的数据包和返回给用户的数据包全部经过分发器，所以分发器成为瓶颈
在nat模式中，只需要分发器有公网ip即可，所以比较节省公网ip资源
缺点：扩展性有限。高负载模式下，director可能成为瓶颈
优点：支持任意操作系统，节点服务器使用私有IP地址，与负载调度器位于同一个物理网络，安全性比DR模式和TUN模式要高。
2、LVS的NAT模式部署过程
环境：
lvs eth0：10.0.0.3 gateway：10.0.0.254 eth1：192.168.1.3
web01 eth0：192.168.1.7 gateway：192.168.1.3
web02 eth0：192.168.1.8 gateway：192.168.1.3
2.1 配置lvs服务器为路由器
web01和web02只有内网卡，配置lvs为路由器使其上网
[root@lvs ~]# vim /etc/sysctl.conf
[root@lvs ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
[root@lvs ~]# iptables -F
[root@lvs ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.1.0/24 -o eth0 -j MASQUERADE
2.2 web服务器准备
在web服务器上安装httpd服务来进行模拟，每台服务器的web首页不同，在负载均衡测试的时候以便区分
web01
[root@web01 ~]# yum install -y httpd
[root@web01 ~]# systemctl start httpd.service
[root@web01 ~]# systemctl enable httpd.service
[root@web01 ~]# echo 'web01'> /var/www/html/index.html
[root@web01 ~]# curl 127.0.0.1
web01
web02
[root@web02 ~]# yum install -y httpd
[root@web02 ~]# systemctl start httpd.service
[root@web02 ~]# systemctl enable httpd.service
[root@web02 ~]# echo 'web02'> /var/www/html/index.html
[root@web02 ~]# curl 127.0.0.1
web02
2.3 lvs服务器配置
[root@lvs ~]# yum install -y ipvsadm #安装lvs核心管理软件包
[root@lvs ~]# ipvsadm -C
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -t 10.0.0.3:80 -s rr
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 10.0.0.3:80 -r 192.168.1.7 -m
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 10.0.0.3:80 -r 192.168.1.8 -m
参数说明：
-C --clear清除内核虚拟服务器表中的所有记录
-A --add-service在内核的虚拟服务器表中添加一条新的虚拟服务器记录
-t --tcp-service service-address说明虚拟服务器提供的是tcp 的服务
-s --scheduler scheduler使用的调度算法，调度算法可以指定以下8种：rr（轮询），wrr（权重），lc（最后连接），wlc（权重），lblc（本地最后连接），lblcr（带复制的本地最后连接），dh（目的地址哈希），sh（源地址哈希），sed（最小期望延迟），nq（永不排队）
-a --add-server在内核虚拟服务器表的一条记录里添加一条新的真实服务器记录。也就是在一个虚拟服务器中增加一台新的真实服务器
-r --real-server server-address指定真实的服务器[Real-Server:port]
-m --masquerading指定LVS的工作模式为NAT 模式
调度测试
[root@lvs ~]# curl 10.0.0.3
web01
[root@lvs ~]# curl 10.0.0.3
web02
[root@lvs ~]# ipvsadm -L -n
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 10.0.0.3:80 rr
-> 192.168.1.7:80 Masq 1 0 0
-> 192.168.1.8:80 Masq 1 0 1
-L --list显示内核虚拟服务器表
-n 不解析端口使用的协议
2.4 keepalived结合lvs_NAT模式
配置keepalived增加虚拟ip，从而管理到lvs，可以进一步配置为lvs服务器的高可用
[root@lvs ~]# yum install keepalived -y
[root@lvs ~]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalived
global_defs {
router_id LVS_DEVEL #表示keepalived服务器的一个标识
}
vrrp_instance VI_1 { #定义一个vrrp组，组名唯一
state MASTER #定义改主机为keepalived的master主机
interface eth0 #监控eth0号端口
virtual_router_id 51 #虚拟路由id号为51，id号唯一，这个id决定了多播的MAC地址
priority 100 #节点优先级
advert_int 1 #检查间隔，默认为1秒
authentication {
auth_type PASS #认证方式，密码认证
auth_pass 1111 #认证密码
}
virtual_ipaddress {
10.0.0.4 #虚拟ip地址
}
}
virtual_server 10.0.0.4 80 { #虚拟主机设置
delay_loop 6 #每隔6秒查询realserver状态
lb_algo rr #lvs的调度算法
lb_kind NAT #lvs的集群模式
persistence_timeout 50 #同一IP的连接50秒内被分配到同一台realserver
protocol TCP #用TCP协议检查realserver状态
real_server 192.168.1.7 80 { #后端真实主机ip
weight 1 #每台机器的权重，0表示不给该机器转发请求，直到它恢复正常
TCP_CHECK { #以下为健康检查项目
connect_timeout 3 #连接超时时间，单位为秒
nb_get_retry 3 #检测失败后的重试次数，如果达到重试次数仍然失败，将后端从服务器池中移除
delay_before_retry 3 #失败重试的间隔时间，单位为秒
connect_port 80 #检查的连接端口
}
}
real_server 192.168.1.8 80 {
weight 1
TCP_CHECK {
connect_timeout 3
nb_get_retry 3
delay_before_retry 3
connect_port 80
}
}
}
[root@lvs ~]# systemctl start keepalived.service
[root@lvs ~]# ipvsadm -L -n
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 10.0.0.3:80 rr
-> 192.168.1.7:80 Masq 1 0 0
-> 192.168.1.8:80 Masq 1 0 0
TCP 10.0.0.4:80 rr
-> 192.168.1.7:80 Masq 1 0 0
-> 192.168.1.8:80 Masq 1 0 0
这里keepalived服务启动后，配置的vip也成功实现了lvs负载均衡，还需要做的就是在web服务器上增加辅助ip10.0.0.33即可