LVS负载均衡之NAT模式部署

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。

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

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、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

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

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