LVS 完全入门：从零理解 Linux 虚拟服务器的三种模式

白毛大侠2026-04-15 11:00

一篇写给自己的 LVS 学习笔记，用最直白的方式讲清楚 NAT、DR、TUN 是什么、怎么配、用在哪。

前言

最近在学习 LVS（Linux Virtual Server），过程中走了不少弯路。网上资料很多，但要么太理论看不懂，要么太零碎串不起来。

这篇文章是我学习过程的沉淀。我会用自己的理解 ，用最直白的方式，把 LVS 是什么、三种模式怎么工作、底层原理是什么、什么时候用哪个，彻底讲清楚。

如果你也在学 LVS，希望这篇文章能帮你省下一些时间。

一、LVS 是什么？

一句话：LVS 是 Linux 内核内置的四层负载均衡器。

  • 四层：工作在 TCP/UDP 协议层，只关心 IP 地址和端口号，不关心 HTTP 内容
  • 内核内置 ：LVS 是 Linux 内核的一个模块（ip_vs），不需要安装额外软件
  • 负载均衡器：把海量请求分发到后端的多台服务器上

一个比喻：

想象你开了一家全国连锁奶茶店，生意好到一家店根本忙不过来。

  • LVS = 总店前台，负责接电话并把订单分配给各分店
  • VIP（虚拟 IP）= 总店的公开电话，所有客户只知道这一个号码
  • RS（Real Server）= 各分店，真正制作奶茶的地方

客户打电话（发请求）到总店号码（VIP），前台（LVS）根据某种规则（轮询、最少连接等），把订单转给某个分店（RS）。分店做好奶茶后，直接寄给客户，不需要再经过前台。

这就是 LVS 的核心思想：用一个虚拟入口，把流量分散到多台真实服务器上。

二、LVS 的三种工作模式

LVS 有三种工作模式：NAT 、DR 、TUN。这是 LVS 最核心、最容易混淆的知识点。

我们先给一个总览：

模式 一句话概括 性能 网络要求
NAT LVS 当网关，进出都经过 LVS 低 可跨网段
DR LVS 改 MAC 地址，RS 直接回客户端 最高 同一局域网
TUN LVS 套 IP 隧道，RS 直接回客户端 中 可跨网段

下面逐一详细讲解。

模式一：NAT（网络地址转换）

一句话：LVS 像个路由器，请求和响应都经过它。

工作流程：

复制代码 
客户端 -> LVS -> RS -> LVS -> 客户端
  1. 客户端请求发给 LVS（VIP）
  2. LVS 把目标 IP 从 VIP 改成某个 RS 的 IP（DNAT）
  3. RS 处理请求，把响应返回给 LVS（因为 RS 的网关指向 LVS）
  4. LVS 把源 IP 从 RS 的 IP 改回 VIP（SNAT），发给客户端

核心操作：LVS 修改 IP 地址（三层）

配置要点：

bash 复制代码 
# LVS 上开启路由转发
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

# 添加 LVS 规则（-m 表示 NAT 模式）
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.10:80 -m
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.20:80 -m

# RS 上把网关指向 LVS
route add default gw 192.168.1.100

优缺点：

优点 缺点
LVS 和 RS 可以跨网段 响应也经过 LVS，LVS 成为瓶颈
RS 不需要特殊配置 性能相对最低
可以隐藏 RS 的真实 IP

适用场景：

  • RS 只有内网 IP，没有公网 IP
  • 需要隐藏后端服务器
  • 小型环境或测试环境

模式二：DR（直接路由）⭐ 最常用

一句话：LVS 只改 MAC 地址，RS 直接响应客户端，性能最高。

工作流程：

复制代码 
客户端 -> LVS -> RS（同网段）-> 直接返回客户端
  1. 客户端请求发给 LVS（VIP）
  2. LVS 根据调度算法选一个 RS，把目标 MAC 地址改成 RS 的 MAC，IP 地址不变
  3. 交换机根据 MAC 地址把包发给对应的 RS
  4. RS 处理请求，直接返回给客户端（不经过 LVS）

核心操作：LVS 修改 MAC 地址（二层）

关键前提：

  • LVS 和所有 RS 必须在同一个局域网（同一个交换机/二层网络）
  • RS 也必须配置 VIP（但配置在 lo 回环接口上，不对外响应 ARP）

配置要点：

bash 复制代码 
# LVS：配置 VIP 在别名接口
ifconfig eth0:2 192.168.1.200 broadcast 192.168.1.200 netmask 255.255.255.255 up

# LVS：添加 DR 规则（-g 表示 DR 模式）
ipvsadm -A -t 192.168.1.200:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.1.200:80 -r 192.168.1.10:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.1.200:80 -r 192.168.1.20:80 -g

# RS：配置隐藏 VIP
ifconfig lo:0 192.168.1.200 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.1.200 up
route add -host 192.168.1.200 dev lo:0

# RS：抑制 ARP（关键！防止 IP 冲突）
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

为什么要抑制 ARP？

正常情况下，RS 配置了 VIP 就会在局域网里广播"VIP 是我的"，导致 IP 冲突。抑制 ARP 就是让 RS 闭嘴，只乖乖接收 LVS 转发来的包，不对外宣称自己拥有 VIP。

优缺点：

优点 缺点
性能最高（响应不经过 LVS） LVS 和 RS 必须在同一局域网
LVS 只处理请求，吞吐量大 RS 需要配置 VIP 和抑制 ARP
支持海量并发

适用场景：

  • 绝大多数生产环境
  • 高并发 Web 服务
  • 视频/文件下载服务
  • DNS 负载均衡

为什么 DR 是绝对主流？

对比 NAT DR
LVS 处理请求 ✅ ✅
LVS 处理响应 ✅（瓶颈） ❌（RS 直返）
单机最大吞吐量 ~1-2 Gbps ~10-20 Gbps+
生产环境使用率 ~10% ~85%

模式三：TUN（IP 隧道）

一句话：DR 的"跨机房版本"，用 IP 隧道代替改 MAC 地址。

当 LVS 和 RS 不在同一个局域网时，无法通过改 MAC 地址来转发。TUN 模式解决了这个问题。

工作流程：

复制代码 
客户端 -> LVS -> [IP隧道] -> RS -> 直接返回客户端
  1. 客户端请求发给 LVS（VIP）
  2. LVS 把整个原始 IP 包封装在一个新 IP 包里，外层目标 IP 是 RS 的 IP
  3. RS 收到后解封装，看到里面的原始请求（目标 IP 仍是 VIP）
  4. RS 处理请求，直接返回给客户端（不经过 LVS）

核心操作：LVS 套一层 IP 头（IP-in-IP 隧道）

配置要点：

bash 复制代码 
# LVS：加载隧道模块，配置隧道 IP
modprobe ipip
ifconfig tunl0 192.168.1.200 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.1.200 up

# LVS：添加 TUN 规则（-i 表示 TUN 模式）
ipvsadm -A -t 192.168.1.200:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.1.200:80 -r 192.168.1.10:80 -i
ipvsadm -a -t 192.168.1.200:80 -r 192.168.1.20:80 -i

# RS：同样加载隧道模块，配置隧道 IP，抑制 ARP
modprobe ipip
ifconfig tunl0 192.168.1.200 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.1.200 up
route add -host 192.168.1.200 dev tunl0

# RS：抑制 ARP（类似 DR）
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/tunl0/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/tunl0/arp_announce

TUN vs DR vs NAT：

对比 DR TUN NAT
核心操作 改 MAC 地址 套 IP 头 改 IP 地址
操作层级 二层 三层 三层
网络要求 同一局域网 可跨网段 可跨网段
响应路径 RS 直返 RS 直返 经过 LVS
性能 最高 中等 最低
RS 特殊配置 抑制 ARP 隧道 + 抑制 ARP 网关指向 LVS

适用场景：

  • 跨机房、跨地域负载均衡
  • 云环境跨 VPC 分发
  • 灾备场景（主 LVS 在北京，备用 RS 在上海）

三、LVS 的调度算法

LVS 支持多种算法来决定"下一个请求发给哪个 RS"：

算法 说明 适用场景
轮询（RR） 依次轮流分配 RS 性能相近
加权轮询（WRR） 按权重比例分配 RS 性能不同
最少连接（LC） 分配给当前连接数最少的 RS 长连接场景
加权最少连接（WLC） 考虑权重的最少连接 默认算法
源地址哈希（SH） 同一源 IP 总是到同一 RS 会话保持
目标地址哈希（DH） 同一目标 IP 到同一 RS 缓存服务器

配置示例：

bash 复制代码 
# -s rr 表示轮询算法
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr

# -s wrr 表示加权轮询
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s wrr

四、LVS 的底层原理：它本质上是个智能交换机

理解了三种模式之后，你会发现一个本质：

LVS 就是一个可以编程的、工作在四层的智能交换机/路由器。

  • DR 模式 ：LVS 在改 MAC 地址 → 像交换机
  • NAT 模式 ：LVS 在改 IP 地址 → 像路由器

普通交换机/路由器的"转发表"是学来的（MAC 表/路由表），而 LVS 的"转发表"是你用 ipvsadm 命令定义的调度规则。

这就是 LVS 的精髓：用软件定义的方式，实现高性能的四层流量分发。

五、LTS vs Nginx：四层 vs 七层

很多人会问：有了 LVS 还要 Nginx 吗？

答案是：它们不是替代关系，而是分层协作的关系。

对比 LVS Nginx
工作层级 四层（IP + 端口） 七层（HTTP/HTTPS）
处理速度 内核态，极快 用户态，较快
单机吞吐量 百万级 QPS 几万级 QPS
内容识别 ❌ 不能（不知 HTTP） ✅ 能（URL、Cookie、Header）
SSL 终结 ❌ 通常不支持 ✅ 原生支持

实际生产架构：LVS 在前，Nginx 在后

复制代码 
Internet
    │
    ▼
┌─────────────────────────────────┐
│   LVS (DR模式) - 四层入口        │  ← 处理海量 TCP 连接
│   性能：100万+ QPS              │
└─────────────────────────────────┘
    │                │                │
    ▼                ▼                ▼
┌─────────┐    ┌─────────┐    ┌─────────┐
│ Nginx1  │    │ Nginx2  │    │ Nginx3  │  ← 七层处理：SSL 卸载、URL 路由
│ 5万QPS  │    │ 5万QPS  │    │ 5万QPS  │      缓存、动静分离
└────┬────┘    └────┬────┘    └────┬────┘
     │              │              │
     └──────────────┼──────────────┘
                    ▼
            ┌─────────────┐
            │  应用服务器   │
            └─────────────┘
  • LVS：扛住入口流量洪峰，做快速四层转发
  • Nginx：做七层精细化分发（SSL 卸载、URL 路由、缓存）

六、LVS 与 iptables 的关系

LVS 和 iptables 都基于 Linux 内核的 Netfilter 框架。

概念 本质
Netfilter Linux 内核中的包过滤/修改框架
iptables 用户态工具，用来配置 Netfilter 规则
ip_vs (LVS) 内核模块，也是基于 Netfilter 实现

关系图：

复制代码 
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                  Linux 内核                       │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐    │
│  │         Netfilter 框架                   │    │
│  │   (内核中的包处理钩子)                    │    │
│  └─────────────┬───────────────────────────┘    │
│                │                                 │
│  ┌─────────────┴───────────────────────────┐    │
│  │         ip_vs (LVS 内核模块)             │    │
│  └─────────────────────────────────────────┘    │
│                │                                 │
│  ┌─────────────┴───────────────────────────┐    │
│  │         iptables                        │    │
│  │   (NAT/防火墙规则)                       │    │
│  └─────────────────────────────────────────┘    │
└─────────────────────────────────────────────────┘

七、如何选择？决策树

复制代码 
开始
  │
  ├─ LVS 和 RS 在同一个二层网络？
  │    ├─ 是 ──→ 性能要求高吗？
  │    │         ├─ 是 ──→ 【DR 模式】（95% 的情况选这个）
  │    │         └─ 否 ──→ NAT 或 DR 都行
  │    │
  │    └─ 否（跨网段）──→ RS 有公网 IP 或支持隧道？
  │              ├─ 是 ──→ 【TUN 模式】
  │              └─ 否 ──→ 【NAT 模式】
  │
  └─ 需要隐藏 RS 的真实 IP？
       └─ 是 ──→ 【NAT 模式】

一句话建议：

  • 默认选 DR 模式（性能最高，绝大多数场景）
  • 跨机房选 TUN 模式
  • RS 没公网 IP 或需要隐藏 RS 选 NAT 模式

八、常用命令速查

bash 复制代码 
# 查看 LVS 规则
ipvsadm -ln

# 查看 LVS 统计信息
ipvsadm -ln --stats

# 添加虚拟服务（VIP）
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr

# 添加真实服务器（RS）
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.10:80 -g  # DR 模式
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.10:80 -m  # NAT 模式
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.10:80 -i  # TUN 模式

# 删除规则
ipvsadm -D -t 192.168.1.100:80
ipvsadm -d -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.10:80

# 保存/恢复规则
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm

# 查看内核连接跟踪表
ipvsadm -lnc

九、总结

模式 一句话 性能 网络要求 生产使用率
NAT LVS 当网关，进出都经过 低 可跨网段 ~10%
DR LVS 改 MAC，RS 直接回 最高 同一局域网 ~85%
TUN LVS 套 IP 隧道，RS 直接回 中 可跨网段 ~5%

核心要点：

  1. LVS 是 Linux 内核内置的四层负载均衡器
  2. DR 模式性能最高，是生产环境绝对主流
  3. DR 的核心是"改 MAC 地址"+"RS 直接回客户端"
  4. TUN 是 DR 的跨机房版本
  5. LVS 和 Nginx 是协作关系，不是替代关系
  6. LVS 本质是个可以编程的智能交换机/路由器
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