基于lvs实现4层负载均衡
章文嵩:研发,原就职alibaba公司,目前就职滴滴;
lvs:2部分组成
ipvsadm:用户空间的命令行工具;用于管理集群服务及集群服务上的RS;
ipvs:是内核中的框架;工作于内核上的netfilter的INPUT钩子上的程序,可根据用户定义的集群实现请求转发;
注意:在lvs主机上,不允许在INPUT链上添加规则,一般不建议与ipvs一同使用filter规则;更不能使用nat规则,任何链接追踪功能都不能开启,链接会话表就限制了会话能力,否则,并发响应能力将大大受到限制;
支持基于TCP UDP SCTP AH EST AH_EST等协议及端口进行调度;
以下部分内容摘自于: https://www.jianshu.com/p/5184c6564ee2
多目标的DNAT;通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为挑选出的某RS的RIP和PORT实现转发;
ipvs工作在INPUT链上,所以只有在INPUT链上才能判断出集群服务,然后才能向后转发,转发时,基于某种调度算法,ipvs自动从后端主机中挑选出一个来响应用户请求,挑选出的主机IP会成为报文目标IP的修改对象;
定义负载均衡集群服务时,要定义集群服务,集群服务的真实主机;
上图为lvs-nat的常见的使用场景,其工作流程如下:
1、客户端的请求发往Director 的VIP。
2、Director发到客户端请求报文后,将报文中的目标Ip修改为集群中的选定的RIP,目标端口80也修改成8080,然后将请求报文发往RS。
3、当RS收到请求报文后,在检查报文的目标IP为自己的RIP后,会接受报文并进行处理响应。响应的源Ip为RIP,目标IP为CIP,端口不变。
4、Director收到RS的响应报文,修改响应报文的源IP为VIP,端口为80,然后转发给客户端。
5、客户端接受响应报文,其源IP为VIP,端口为80,整个过程对于客户端来说是透明无感知的。
通过修改请求报文的MAC地址,重新封装一个MAC首部进行转发;源MAC是DIP所在接口的MAC地址,目标MAC是挑选出的某RS的RIP所在接口的MAC地址;IP首部不会发生变化(依然是CIP<-->VIP)
lvs服务主机与后端服务器主机接在同一交换机上,且每个后端主机都配有vip,为了避免地址冲突,把各后端主机配置的vip进行隔离;
隔离的方法有3种
(1)确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文转发往Director;
(2)RS的RIP可以使用私有地址,也可以使用公网地址;
(3)RS跟Director必须在同一物理网络(基于MAC地址转发);RS的网关必须不能指向DIP;
(4)请求报文必须由Directory调度,但响应报文必须不能经由Director;
(5)不支持端口映射;
(6)RS可以使用大多数的OS;一般都为Linux系统;
上图为lvs-dr的常见的使用场景,其工作流程如下:
1、客户端的请求会发往Director,此时,客户端请求报文的源Ip为CIP,目标Ip为Director的VIP。
2、当Director接受到客户端的请求报文后,Director会在请求报文外封装一个MAC首部,其源MAC为Director接口的MAC地址,目标MAC为选定RS的MAC地址;
3、当RS收到Director转发过来的请求报文后,检查发现请求报文的目标Ip为本地环回接口上配置的VIP,因此会接受报文进行响应处理。另外由于对ARP响应规则做了修改,因此RS不会把响应报文响应给director ,而是响应给GW;
4、客户端接收响应报文,完成通信。
请求报文源IP为cip,目标IP为vip,到达lvs服务进入INPUT链上,在整个ip报文外又加了一层ip首部,即IP报文传输IP报文所以叫IP隧道,此时外层源IP为dip,目标IP为某一个被挑选出来远端的rip,远端的服务主机收到报文经过不断拆包后,将响应报文发给客户端,构建响应报文的源IP为rip,目标IP为cip;
(1)RIP,DIP,VIP全得是公网地址;
(2)RS网关不能指向也不可能指向DIP;
(3)请求报文经由Director转发,但响应报文将直接发往CIP;
(4)不支持端口映射;
(5)RS的OS必须支持隧道功能;
(1)VIP是公网地址,RIP和DIP一般是私网地址,且通常不再同一网络中,但需要经由路由器互通;
(2)RS收到的请求报文源IP为DIP,因此响应报文将直接响应给DIP;
(3)请求和响应报文都经由Director;
(4)支持端口映射;
(5)RS可以使用大多数的OS;
负载均衡集群中会话保持的方式
(1)原地址哈希;
(2)会话集群;
(3)会话服务器;
如上图所示:
1.客户端的请求会发往Director,此时,客户端请求报文的源IP为CIP,目标IP为Director的VIP
2.当Director收到客户端的请求报文时,会将源IP修改为本机的DIP,同时将请求报文中的目标IP修改为后端某个RS的RIP,具体为哪个RS的RIP,取决于LVS使用的具体算法
3.当RS收到对应的请求报文时,会发现报文的目标IP就是自己的RIP,于是就会接收报文并处理后进行响应。响应报文的源IP则为RIP,目标IP则为DIP
4.当Director收到对应的响应报文时,Director会将响应报文的源IP修改为VIP,目标IP修改为CIP,于是响应报文被发往客户端。
5.客户端则会收到响应报文,源IP为VIP,端口为80,而LVS相对于客户端而言,转换过程是透明的。
根据其调度时是否考虑后端主机的当前负载,可分为 静态方法 和 动态方法 两类
基于客户端瘦cookie+服务器端的session机制,在负载均衡时,同一用户被调度不同后端服务器时,为了保持会话连接功能不丢失;当第一次用户请求时,通过调度机制给该用户分配了一个负责响应后端服务器,以后来自该用户的请求就由这个服务器负责响应了,而不再调度,这就叫 源地址哈希 ;
在调度器上有会话追踪表,在这个会话追踪模板中,把用户的IP地址和挑选的后端服务器对应的记录下来,而且定义一个超时时长,在定义的时间内该条目不会删除;所以,用户请求到来时,先检查这个表,把原IP当做k查找,因为哈希就是k/v数据,对应的v就是后端的真实服务器;如果检查有用户的IP对应的记录,则直接将请求报文发给记录中对应的后端真实服务器,而不通过调度;
缺陷 :当记录的真实服务器挂了时,就没有会话保持记录了;当内网用户同过同一IP地址访问外网时,可能会把内网用户的所有请求都发往会话记录表上的真实服务器,这样负载均衡能力是受到损害的;
解决办法
内网用户请求的目标地址,在调度器上把目标地址绑定到一个代理缓存服务器上,以后,任何用户访问的是该目标地址就发往绑定的代理服务器,代理服务器收到请求后,再发往后端服务器主机,从而实现正向代理负载均衡的作用;
ipvs功能特别强大,一般网站用到的可能性比较小,但面试必会问到;
如果负载不是特别大,使用配置比较麻烦,维护成本较大;
ipvs/ipvsadm的关系相当于netfilter/iptables的关系;
真正提供lvs服务的是ipvs;
因为是根据请求的目标ip地址和目标端口(能识别协议)进行转发;一个ipvs(Director)主机就可同时为多个集群提供服务进行调度;这就是四层交换的原因;只不过一个Director很有可能成为负载均衡的瓶颈;
注意:单个Director可同时为多个集群提供调度服务;
在centos 7系统上:
判断内核是否支持ipvs:
判断ipvsadm程序包是否安装
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler]
-A:增,添加
-E:修改
ipvsadm -D -t|u|f service-address
-D:删除集群服务;
service-address:定义集群服务的地址
-t:tcp,把tcp端口定义成集群服务,vip:tcp_port;
-u:udp,把udp端口定义成集群服务,vip:udp_port;
-f:Firewalls mark防火墙标记,是一个数字;
-s scheduler:定义集群服务的调度方法,默认为wlc加权最少连接;
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]
-a:增,添加RS;
-e:改,修改RS;
ipvsadm -d -t|u|f service-address
-d:删除
-r server-address:向已存在的service-address(集群服务)添加RS的地址;
rip[:port] 端口省略时,表示不做端口映射,与请求服务的端口为同一端口;有些集群服务不支持端口映射,如lvs-dr,lvs-tun,只要响应报文不经过Director都不支持;
查看: ipvsadm -L|l [options]
-L,--list:列出集群服务;
-n, --numeric:数字格式显示,不反解主机名到ip地址,服务到端口号;
--exact:精确显示数值,不进行单位换算;
-c, --connection:显示当前ipvs连接;可查看后端服务器是否连接;
--stats:统计数据;
--rate:速率;
清空 :clear
ipvsadm -C
保存和重载
保存:输出重定向
ipvsadm -S > /PATH/TO/SOME_RULE_FILE
ipvsadm-save > /PATH/TO/SOME_RULE_FILE
重载:输入重定向
ipvsadm -R < /PATH/TO/SOME_RULE_FILE
ipvsadm-restore < /PATH/TO/SOME_RULE_FILE
清空计数器:
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
例如:
例如:
添加集群服务,vip为172.18.11.111提供web服务,指明调度方法为rr;不指明为默认wlc;
在集群服务中添加RS地址为192.168.255.2,类型为lvs-nat,权重为1此值无意义,因为前面已经指明使用rr调度算法
再次添加一个RS
再次添加一个集群服务
在另一个集群服务上添加2个RS
修改集群服务的调度方法为wrr
注意:修改只能改属性,不能改IP地址;只有删除集群服务才能从新改IP地址;
修改RS的权重值为10
保存集群服务规则至指定路径
查看保存的内容:
清空集群服务
重载集群服务配置文件
下次开机时会自动载入集群服务规则:
所以,可把规则保存在/etc/sysconfig/ipvsadm文件中;
[root@VM_0_2_centos ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
一般手动保存后(确保保存无误),下次开机时,会自动重载此文件;
需要开机自动有效:
[root@VM_0_2_centos ~]# systemctl enable ipvsadm.service
lvs-nat设计要点:
(1)DIP与RIP要在同一IP网络,RIP的网关要指向DIP;
(2)支持端口映射;
(3)是否用到共享存储,取决于业务需要;
1、配置RS1
2、配置RS2
3、配置Director
打开网卡核心转发功能;永久有效:
查看内核参数是否打开核心转发功能
此时,在Director测试,访问RS1、RS2;
添加ipvs集群:
在另一台虚拟机上测试,调度是否起作用:
测试主机为:172.18.11.111
修改Director上的调度方式为wrr
再到测试主机为:172.18.11.111,测试wrr的调度效果
经过多次请求测试后,有明显wrr调度效果;
其RS服务器响应权重比是1:2,即RS1响应1次后RS响应2次;
数据同步:rsync+inotify
响应报文不用经过Director,每个RS必须配置VIP,为了避免地址冲突,有3种方式:
在各主机(Director,RS)均需要配置VIP,因此,要解决地址的冲突的问题,目标是让各RS上的VIP不可见,仅用接收目标地址为VIP的报文,同时可作为响应报文的源地址;
(1)在前端的网关接口上静态绑定(vip+mac);
缺陷:一旦Director挂了,基于高可用转移另外节点上无法实现;而且,要在网关上有权限操作;
(2)在各RS上使用arptables;添加规则,拒绝自己的VIP地址向外通告及响应arp解析地址的请求;
(3)在各RS上修改内核参数,来限制arp响应和通告;
注意:要将VIP配置在lo的别名上,不能配置在网卡的别名上;
在各RS上设置arp通告级别即修改两个内核参数arp_ignore、arp_announce,因为地址是属于内核的,所以在Linux主机默认的通告方式是所有本机的可用IP地址通告给每个接口;
arp_announce要限制通告级别,每一个网卡仅在把自己的网络地址向所在物理网络中通告,即各网卡间地址绝不交叉通告;arp_announce设置为2;
arp_ignore是限制响应别人arp请求的级别;默认响应请求是无论从哪个接口接收到arp请求,只要本机有这个地址都会响应;限制arp响应级别后可实现,从哪个网卡接收的arp请求,
必须与该接口属于同一网络时才响应;arp_ignore`设置为1
lvs-dr设计要点:
(1)各主机一个接口即可,但需要在同一物理网络中;
(2)RIP的网关不能指向DIP,RIP和DIP通常应在同一网络,但此二者未必会与VIP在同一网络;
(3)各RS需要先设置内核参数,再设置VIP和路由;
搭建网络环境
1、配置Director
2、配置RS1
3、配置RS2
4、访问测试
在RS2主机运行
在报文进入时,进行打标记,例如目标IP是VIP端口80,把这类报文分拣出来打标,标记一般为十六进制整数,例如标记1;在input链上定义集群服务时,就可判定如果防火墙标记为1,则为集群服务;把本来在input链上完成识别、定义集群服务分成了两步,识别在prerouting做,定义在ipvs(inputing)上实现;
在mangle表上的prerouting链上,目标ip(VIP)为172.18.11.7,目标端口为80,打标记为1;
mark标记里包含了IP地址和端口;定义集群服务时使用mark即可;
打标记的方法:
iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $protocol --dport $clusterserverport -j MARK --set-mark #
#:代表十六进制整数;
打标作用 :提供辅助持久连接功能;在多个端口定义服务时,可把相关作为一个集群来调度;
配置RS1:
配置RS2:
在Director创建CA:
在RS1主机:
在CA服务上签证并传回给RS1:
在各RS主机重启web服务并查看443端口是否监听:
手动测试直接访问RS的IP:
测试请求,OK可以响应页面;-k表示可接受不受信任的页面响应;
单机测试ok,下面绑定80和443服务,打标记:
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