LVS实验 - 技术栈

一、LVS简介

LVS（Linux Virtual Server，Linux 虚拟服务器）是 Linux 内核原生的高性能四层（IP 层 / TCP/UDP 层）负载均衡方案，专为构建高可用、高并发的服务器集群设计。

1.1 核心定位与起源

本质：内核级 IP 负载均衡器，将用户请求按策略分发到后端多台真实服务器（Real Server, RS），对外表现为单一虚拟 IP（VIP）。
开发者：章文嵩博士，1998 年发起开源项目，自 Linux 2.4.24 起成为内核标准模块。
优势：性能极高、开销极低、免费开源、Linux 原生，适合大规模流量场景。

1.2 核心架构（三层模型）

负载调度器（Director Server）
- 集群入口，持有VIP（Virtual IP），接收用户请求。
- 持有DIP（Director IP），用于与后端服务器通信。
- 核心：按调度算法转发请求、健康检查、故障屏蔽。
服务器池（Server Pool）
- 实际处理业务的真实服务器（RS），使用RIP（Real IP）。
- 所有 RS 提供相同服务（如 Web、DB），保证一致性。
共享存储（Shared Storage）
- 为 RS 提供统一数据存储，确保数据一致（如 NFS、分布式存储）。

1.3 关键术语

VIP：对外服务的虚拟 IP，用户唯一访问入口。
DIP：调度器内网 IP，用于与 RS 通信。
RIP：后端真实服务器 IP，集群内部通信。
CIP：客户端 IP 地址。

1.4 三种核心工作模式（转发机制）

1. NAT 模式（网络地址转换）

原理：调度器修改请求的目标 IP（VIP→RIP）；响应时修改源 IP（RIP→VIP），所有流量经调度器。
特点：配置简单、支持跨网段；调度器易成瓶颈、带宽压力大。
适用：小规模集群、测试环境。

2. DR 模式（直接路由，最常用）

原理：调度器仅修改数据包MAC 地址（目标为 RS 的 MAC），不修改 IP；RS 直接用 VIP 响应客户端，流量不回调度器。
特点：性能最高、吞吐量最大；要求调度器与 RS 在同一物理网段。
适用：大规模高并发场景（如 Web 服务）。

3. TUN 模式（IP 隧道）

原理：调度器将请求封装在新 IP 包中，隧道转发给 RS；RS 解封装后直接响应客户端。
特点：支持跨地域、跨网段部署；有隧道封装开销。
适用：异地多活、跨机房集群。

1.5 常用调度算法（负载分配策略）

轮询（Round Robin, rr）：按顺序轮流分发。
加权轮询（Weighted RR, wrr）：按权重比例分发（性能强的 RS 权重高）。
最少连接（Least Connections, lc）：发给当前连接数最少的 RS。
加权最少连接（WLC）：结合权重的最少连接。
源地址哈希（SH）：同一客户端 IP 始终转发到同一 RS（会话保持）。
目标地址哈希（DH）：按目标 IP 哈希分发。

1.6 核心特性

四层负载均衡：工作在 IP/TCP 层，不解析应用层内容，性能远超七层（如 Nginx、HAProxy）。
内核级实现 ：基于ipvs内核模块，处理效率极高、资源占用极低。
高可用 ：配合Keepalived实现主备切换，VIP 漂移，无单点故障。
透明性：用户仅感知 VIP，无需修改客户端 / 服务端代码。
可扩展：可动态增删 RS，水平扩展集群能力。

1.7 适用场景 vs 不适用场景

✅ 适合用 LVS

追求极致性能、高并发、低延迟的四层转发。
大规模 Web、API、数据库、缓存等服务集群。
Linux 环境、预算有限、需要内核级负载均衡。

❌ 不适合用 LVS

需要七层功能：SSL 卸载、URL 路由、内容缓存、请求改写。
复杂健康检查、会话保持、流量染色、灰度发布。
非 Linux 环境、需要图形化管理界面。

1.8 与七层负载均衡（Nginx/HAProxy）对比

特性	LVS（四层）	Nginx/HAProxy（七层）
工作层次	IP/TCP 层	HTTP / 应用层
性能	极高（内核级）	较高（用户态）
功能	仅转发	丰富（路由、缓存、SSL 等）
配置复杂度	中（网络配置多）	低（应用层配置）
适用	大规模流量转发	应用层精细化控制

LVS 是构建高性能 Linux 集群的基石，DR 模式 + 加权最少连接 + Keepalived是生产环境最经典组合。

二、nat模式

2.1 nat模式原理

|-----|-----------------------------------------------------|----------------------------------------|---------------|
| 节点 | 网卡配置 | IP配置 | 网关 |
| VS | NAT模式（ DIP:172.25.254.100) 仅主机模式（VIP：192.168.0.100） | 172.25.254.100（NAT） 192.168.0.100（仅主机） | |
| RS1 | 仅主机模式 | 192.168.0.10 | 192.168.0.100 |
| RS2 | 仅主机模式 | 192.168.0.20 | 192.168.0.100 |

2.2 nat模式实验环境搭建

VS主机中

bash 复制代码

[root@vsnode ~]# vmset.sh eth0 172.25.254.100 vsnode
[root@vsnode ~]# vmset.sh eth1 192.168.0.100 vsnode noroute

RS1

RS2

测试：

2.3 nat模式实现过程

规则持久化：

利用自定义文件进行持久化

利用守护进程进行规则持久化

3.1 DR模式原理

环境搭建

router：

vsnode:

测试：

client：

RS1+RS2：

bash 复制代码

[root@RS1 ~]# vmset.sh eth0 192.168.0.10 RS1 noroute
[root@RS1 ~]# nmcli connection modify eth0 ipv4.gateway 192.168.0.100
[root@RS1 ~]# nmcli connection reload
[root@RS1 ~]# nmcli connection up eth0
[root@RS1 ~]# route  -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.0.100   0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0

#在lo上设定vip
[root@RS1 ~]# cd /etc/NetworkManager/system-connections/
[root@RS1 system-connections]# cp -p eth0.nmconnection lo.nmconnection
[root@RS1 system-connections]# vim lo.nmconnection
[connection]
id=lo
type=loopback
interface-name=lo

[ethernet]

[ipv4]
address1=127.0.0.1/8
address2=192.168.0.200/32
method=manual

[root@RS1 system-connections]# nmcli connection reload
[root@RS1 system-connections]# nmcli connection up lo
连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/6）
[root@RS1 system-connections]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 192.168.0.200/32 scope global lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever

bash 复制代码

 #arp禁止响应
[root@rs1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
[root@rs1 ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
[root@rs1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
[root@rs1 ~]# echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

测试：