背景介绍：为什么选择 LVS 负载均衡？
在高并发 Web 架构中，随着用户量增长，单台服务器的性能瓶颈和单点故障问题会愈发突出。传统应用层负载均衡（如 Nginx）虽配置灵活，但在百万级并发场景下，用户态转发的性能限制会显现。
LVS（Linux Virtual Server）作为内核级负载均衡方案，工作在传输层（Layer 4），通过 IPVS 模块直接在内核中处理数据包转发，无需用户态与内核态的频繁切换，可轻松支撑百万级并发连接，且资源占用极低。其 NAT 模式配置简单，无需修改后端服务器网络架构，是大型互联网企业高并发场景的首选方案，也适合负载均衡入门者快速掌握内核级负载均衡的核心原理。
本文将在 CentOS 7 系统上从零部署完整的 LVS 负载均衡集群（NAT 模式），覆盖环境准备、核心配置、效果验证及持久化优化，助力快速构建高可用、高并发的 Web 架构。
核心关键词解释
- LVS（Linux Virtual Server）：集成于 Linux 内核的开源负载均衡项目，通过 IPVS 模块实现高效数据包转发，支持 NAT、DR、TUN 三种模式；
- IPVS（IP Virtual Server）：LVS 的核心内核模块，负责实现负载均衡的调度算法和数据包转发逻辑，无需额外安装；
- VIP（Virtual IP）：虚拟 IP 地址，对外提供统一的服务访问入口，客户端仅需访问 VIP 即可享受负载均衡服务；
- Director（调度器）：运行 LVS 的服务器，负责接收客户端请求，根据调度算法转发至后端真实服务器；
- RS（Real Server）：后端真实服务器，运行 Web 等应用服务，处理调度器转发的请求；
- NAT 模式：LVS 三种模式之一，通过地址转换实现请求转发，所有进出流量均经过调度器，配置简单但存在流量瓶颈；
- 调度算法：LVS 分发请求的规则，常用轮询（rr）、加权轮询（wrr）、最小连接（lc）等；
- ipvsadm：LVS 的用户态管理工具，用于配置、查看和修改 LVS 负载均衡规则。
一、LVS 简介与 NAT 模式原理
1. 什么是 LVS？
LVS 是一个开源负载均衡项目，已集成到 Linux 内核中。它通过 IPVS（IP Virtual Server）模块实现高效的数据包转发，无需额外安装内核，仅需通过用户态工具（如 ipvsadm）即可配置和管理。
2. NAT 模式工作原理
NAT（Network Address Translation）模式是 LVS 三种常用模式（NAT、DR、TUN）中配置最简单的一种，其流量路径遵循以下流程：
- 客户端发送请求至 LVS 的虚拟 IP（VIP）；
- LVS 调度器（Director）接收请求后，根据预设的调度算法（如轮询）将请求转发给后端真实服务器（Real Server，简称 RS）；
- 真实服务器处理请求后，将响应流量返回给 LVS 调度器（因真实服务器网关指向 LVS）；
- LVS 调度器对响应流量做地址转换，最终返回给客户端。
3. NAT 模式优缺点
- ✅ 优点：配置简单，真实服务器无需修改网络配置，仅需指定网关即可；
- ⚠️ 缺点：所有进出流量均需经过 LVS 调度器，LVS 易成为流量瓶颈，不适合超大规模并发场景。
二、实验环境规划
本次搭建需 3 台 CentOS 7 服务器，角色、主机名、IP 地址规划如下表所示（LVS 公私网 IP 一致）：
| 主机角色 | 主机名 | 操作系统 | IP 地址 |
|---|---|---|---|
| LVS 调度器 | lvs-director | CentOS 7 | 虚拟 IP（公私网一致）：10.0.0.1 |
| 真实服务器 1 | web1 | CentOS 7 | 内网 IP：10.0.0.2 |
| 真实服务器 2 | web2 | CentOS 7 | 内网 IP：10.0.0.3 |
三、步骤 1：准备后端 Web 服务器
若尚未部署 Web 服务，需在 web1 和 web2 上分别搭建简单 Web 页面（以 Apache 为例），确保后端服务可正常响应请求：
1. 在 web1 上执行
bash
# 安装 Apache 服务（从 CentOS 官方 YUM 源获取）
yum install -y httpd
# 创建 Web 首页（标识 web1，便于测试时区分节点）
echo "<h1>Welcome to web1</h1>" > /var/www/html/index.html
# 启动 Apache 并设置开机自启（确保服务器重启后服务自动运行）
systemctl start httpd
systemctl enable httpd2. 在 web2 上执行
仅需将 Web 首页内容改为 Welcome to web2，其余命令与 web1 一致：
bash
yum install -y httpd
echo "<h1>Welcome to web2</h1>" > /var/www/html/index.html
systemctl start httpd
systemctl enable httpd3. 验证 Web 服务
在 LVS 调度器或其他内网机器上，通过内网 IP 访问 web1 和 web2，确认页面正常返回：
bash
# 访问 web1（应返回 web1 标识页面）
curl http://10.0.0.2
# 访问 web2（应返回 web2 标识页面）
curl http://10.0.0.3四、步骤 2：配置 LVS 调度器（Director）
LVS 调度器是整个负载均衡集群的核心，需完成工具安装、IP 转发启用、防火墙配置三个关键操作，确保数据包能正常转发。
1. 安装 LVS 管理工具
LVS 内核模块（IPVS）默认已集成到 CentOS 7 内核中，无需额外安装，仅需安装用户态管理工具 ipvsadm：
bash
yum install -y ipvsadm2. 启用 IP 转发（关键！）
LVS 作为调度器，需开启内核 IP 转发功能，否则无法将客户端请求转发至后端真实服务器：
bash
# 临时启用 IP 转发（重启后失效，用于快速测试）
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# 永久启用 IP 转发（修改配置文件，重启后仍生效）
echo 'net.ipv4.ip_forward = 1' >> /etc/sysctl.conf
# 使配置立即生效
sysctl -p
# 验证 IP 转发是否启用（输出 1 表示已启用）
sysctl net.ipv4.ip_forward3. 设置防火墙（可选）
若系统启用了 firewalld，需开放 80 端口（Web 服务默认端口），或临时关闭防火墙（仅测试环境推荐）：
bash
# 方案 1：开放 80 端口（推荐，生产环境适用）
firewall-cmd --permanent --add-port=80/tcp
firewall-cmd --reload
# 方案 2：临时关闭 firewalld（测试环境适用，简化配置）
systemctl stop firewalld五、步骤 3：配置 LVS 虚拟服务（NAT 模式）
通过 ipvsadm 命令创建 LVS 虚拟服务规则，指定 VIP、调度算法和后端真实服务器，实现请求分发：
bash
# 1. 清空现有 LVS 规则（首次配置可省略，避免旧规则干扰）
ipvsadm -C
# 2. 添加虚拟服务：VIP 为 10.0.0.1，端口 80，调度算法为轮询（rr）
ipvsadm -A -t 10.0.0.1:80 -s rr
# 3. 添加后端真实服务器（-m 表示 NAT 模式）
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.2:80 -m # 添加 web1 节点
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.3:80 -m # 添加 web2 节点关键参数说明
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| -A | 添加虚拟服务（Virtual Server） |
| -a | 为虚拟服务添加真实服务器（Real Server） |
| -t VIP:PORT | 指定虚拟服务的 TCP 协议和端口（如 10.0.0.1:80） |
| -s rr | 调度算法为轮询（round-robin），其他常用算法：wrr（加权轮询）、lc（最小连接） |
| -m | 指定 LVS 模式为 NAT（Masquerading） |
| -r RS_IP:PORT | 指定后端真实服务器的 IP 和端口 |
六、步骤 4：配置真实服务器网关（关键！）
NAT 模式要求真实服务器的默认网关指向 LVS 调度器的 IP（10.0.0.1），否则真实服务器的响应流量无法返回给 LVS，客户端将收不到响应。
1. 在 web1 和 web2 上修改网关
bash
# 编辑网卡配置文件（假设网卡为 eth0，实际需根据服务器网卡名称调整，可通过 ip addr 查看）
vi /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
# 在文件末尾添加网关配置（指向 LVS 调度器 IP）
GATEWAY=10.0.0.12. 重启网络服务生效
bash
systemctl restart network3. 验证网关配置
bash
# 查看默认网关，输出应包含"default via 10.0.0.1 dev eth0"
ip route show default七、步骤 5：测试负载均衡效果
配置完成后，需验证 LVS 是否能将请求均匀分发到后端两台真实服务器。
1. 命令行测试（推荐）
在任意客户端（或 LVS 调度器本机）执行循环请求 VIP，观察返回结果是否交替显示 web1 和 web2 的页面：
bash
# 循环请求 10 次 VIP（10.0.0.1）
for i in {1..10}; do
curl -s http://10.0.0.1
done预期输出（轮询交替）：
plaintext
<h1>Welcome to web1</h1>
<h1>Welcome to web2</h1>
<h1>Welcome to web1</h1>
<h1>Welcome to web2</h1>
...2. 浏览器测试
打开浏览器，访问 http://10.0.0.1，多次刷新页面，观察页面内容是否交替变化（若浏览器缓存影响，可开启无痕模式测试）。
八、步骤 6：持久化 LVS 规则（开机自启）
LVS 规则默认保存在内存中，服务器重启后规则会丢失。需通过 systemd 创建服务，实现 LVS 规则开机自动加载，确保服务稳定性。
1. 创建 LVS 服务文件
bash
cat > /etc/systemd/system/lvs.service <<EOF
[Unit]
Description=LVS Load Balancer (NAT Mode)
After=network.target # 网络服务启动后再启动 LVS 服务
[Service]
Type=oneshot # 一次性执行服务
# 启动时清空旧规则并重新创建 LVS 规则（与步骤 3 配置一致）
ExecStart=/sbin/ipvsadm -C && \
/sbin/ipvsadm -A -t 10.0.0.1:80 -s rr && \
/sbin/ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.2:80 -m && \
/sbin/ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.3:80 -m
RemainAfterExit=yes # 执行完成后保持服务活跃状态
[Install]
WantedBy=multi-user.target # 多用户模式下启动
EOF2. 启用并启动服务
bash
# 重新加载 systemd 配置（识别新创建的服务）
systemctl daemon-reload
# 设置开机自启（服务器重启后自动加载 LVS 规则）
systemctl enable lvs
# 启动服务（立即加载 LVS 规则）
systemctl start lvs
# 验证服务状态（输出 active 表示正常）
systemctl status lvs九、常用命令与排错
1. 常用 LVS 管理命令
| 功能 | 命令 |
|---|---|
| 查看 LVS 规则（详细信息，数字格式显示 IP 和端口） | ipvsadm -ln |
| 查看当前连接数（客户端 IP、后端 RS 等） | ipvsadm -lnc |
| 清空所有 LVS 规则 | ipvsadm -C |
| 保存 LVS 规则到文件 | ipvsadm -S > /etc/sysconfig/ipvsadm |
| 从文件加载 LVS 规则 | ipvsadm -R < /etc/sysconfig/ipvsadm |
| 测试后端 RS 连通性 | curl http://10.0.0.2（web1）、curl http://10.0.0.3（web2） |
| 检查真实服务器网关 | ip route show default |
2. 常见问题排查
问题 1：访问 VIP 无响应
- 检查 LVS 调度器的安全组是否开放 80 端口（云服务器场景）；
- 检查 LVS 调度器的防火墙是否放行 80 端口（
firewall-cmd --list-ports）； - 检查真实服务器的网关是否正确指向 LVS 的 IP（10.0.0.1）；
- 检查真实服务器的 Web 服务是否正常运行（
systemctl status httpd）。
问题 2：只有一台后端 RS 响应
- 检查 LVS 规则是否包含两台 RS（
ipvsadm -ln）； - 检查未响应的 RS 的 Web 服务是否正常（
curl http://RS_IP）； - 检查未响应的 RS 的网关是否正确配置（
ip route show default）。
问题 3：连接超时
-
在 LVS 调度器上使用
tcpdump抓包分析流量路径，例如：bash
# 抓取与 web1（10.0.0.2）相关的 80 端口流量 tcpdump -i eth0 host 10.0.0.2 and port 80 -
检查 LVS 与 RS 之间的网络是否通畅（
ping 10.0.0.2、ping 10.0.0.3）。
十、总结与进阶建议
1. 总结
本文完整演示了在 CentOS 7 上从零搭建 LVS 负载均衡集群（NAT 模式）的流程，核心亮点：
- LVS 工作在传输层，内核级转发，低延迟、高吞吐，适合高并发场景；
- NAT 模式配置简单，无需修改后端 RS 的网络架构，仅需指定网关即可快速部署；
- LVS 公私网 IP 统一为 10.0.0.1，简化网络配置，降低入门门槛；
- 通过
systemd实现 LVS 规则开机自启，确保服务重启后仍能正常工作。
同时需注意，NAT 模式的局限性在于 LVS 调度器会成为流量瓶颈，所有进出流量均需经过调度器，不适合超大规模集群。
2. 进阶学习方向
- 🔄 切换至 LVS-DR 模式（Direct Routing）：DR 模式下，RS 直接将响应流量返回给客户端，绕过 LVS 调度器，突破 NAT 模式的性能瓶颈，适合大规模集群；
- 🛡️ 集成 Keepalived：实现 LVS 调度器的高可用（主备自动切换），避免 LVS 单点故障，确保负载均衡服务不中断；
- 📊 监控与运维：结合 Prometheus + Node Exporter + Grafana 监控 LVS 的连接数、转发效率、后端 RS 状态等指标，实时掌握集群运行状态，及时发现并处理异常。
总结
LVS 作为内核级负载均衡方案，凭借其高性能、低资源占用的优势，成为高并发场景的核心组件。本文通过 NAT 模式的实战部署，帮助快速理解 LVS 的工作原理和配置逻辑，适合作为负载均衡进阶学习的基础。
后续可根据业务规模，灵活选择 LVS 模式（NAT/DR/TUN），并结合 Keepalived、监控工具等，构建更稳定、可扩展的高可用架构。