LVS-DR原理介紹和配置實踐

時間  2020-01-10
標籤 lvs 原理 介紹 配置 實踐 欄目 負載均衡 简体版
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前言

本文主要講述LVS-DR原理介紹和配置實踐，HA高可用方案基於Keepalived。html

LVS-DR原理介紹和配置實踐

更新歷史

2019年09月03日 - 拆分LVS-Keepalived中LVS-DR
2019年08月23日 - 更新LVS/NAT、LVS/DR、LVS/TUN三種模式的原理和配置實踐
2018年12月03日 - 精簡和更新配置步驟
2018年07月31日 - 初稿前端

閱讀原文 - https://wsgzao.github.io/post...node

擴展閱讀linux

LVS - http://www.linuxvirtualserver...
Keepalived - http://www.keepalived.org/git

ReadMe

參考文章

Virtual Server via Direct Routing - http://www.linuxvirtualserver...
LVS和Keepalived官方中文手冊PDF - https://pan.baidu.com/s/1s0P6...github

相關術語

如下術語涉及LVS三種工做模式的原理
  • LB (Load Balancer 負載均衡)
  • HA (High Available 高可用)
  • Failover (失敗切換)
  • Cluster (集羣)
  • LVS (Linux Virtual Server Linux 虛擬服務器)
  • DS (Director Server)，指的是前端負載均衡器節點
  • RS (Real Server)，後端真實的工做服務器
  • VIP (Virtual IP)，虛擬的IP地址，向外部直接面向用戶請求，做爲用戶請求的目標的 IP 地址
  • DIP (Director IP)，主要用於和內部主機通信的 IP 地址
  • RIP (Real Server IP)，後端服務器的 IP 地址
  • CIP (Client IP)，訪問客戶端的 IP 地址

LVS三種模式的主要區別

VS/NAT VS/TUN VS/DR
server any tunneling non-arp device
server network private LAN/WAN LAN
server number low (10~20) high high
server gateway load balancer own router own router
模式與特色 NAT 模式 IPIP 模式 DR 模式
對服務器的要求 服務節點可使任何操做系統 必須支持 IP 隧道，目前只有 Linux 系統支持 服務器節點支持虛擬網卡設備，可以禁用設備的 ARP 響應
網絡要求 擁有私有 IP 地址的局域網絡 擁有合法 IP 地址的局域，網或廣域網 擁有合法 IP 地址的局域，服務器節點與負載均衡器必須在同一個網段
一般支持節點數量 10 到 20 個，根據負載均衡器的處理能力而定 較高，能夠支持 100 個服務節點 較高，能夠支持 100 個服務節點
網關 負載均衡器爲服務器節點網關 服務器的節點同本身的網關或者路由器鏈接，不通過負載均衡器 服務節點同本身的網關或者路由器鏈接，不通過負載均衡器
服務節點安全性 較好，採用內部 IP，服務節點隱蔽 較差，採用公用 IP 地址，節點安全暴露 較差，採用公用 IP 地址，節點安全暴露
IP 要求 僅須要一個合法的 IP 地址做爲 VIP 地址 除了 VIPO 地址外，每一個服務器界定啊須要擁有合法的 IP 地址，能夠直接從路由到客戶端 除了 VIP 外，每一個服務節點需擁有合法的 IP 地址，能夠直接從路由到客戶端
特色 地址轉換 封裝 IP 修改 MAC 地址
配置複雜度 簡單 複雜 複雜

LVS基本工做原理

  1. 當用戶向負載均衡調度器（Director Server）發起請求，調度器將請求發往至內核空間
  2. PREROUTING鏈首先會接收到用戶請求，判斷目標IP肯定是本機IP，將數據包發往INPUT鏈
  3. IPVS是工做在INPUT鏈上的，當用戶請求到達INPUT時，IPVS會將用戶請求和本身已定義好的集羣服務進行比對，若是用戶請求的就是定義的集羣服務，那麼此時IPVS會強行修改數據包裏的目標IP地址及端口，並將新的數據包發往POSTROUTING鏈
  4. POSTROUTING連接收數據包後發現目標IP地址恰好是本身的後端服務器，那麼此時經過選路，將數據包最終發送給後端的服務器

LVS的組成

LVS 由2部分程序組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。
  1. ipvs(ip virtual server)：一段代碼工做在內核空間，叫ipvs，是真正生效實現調度的代碼。
  2. ipvsadm：另一段是工做在用戶空間，叫ipvsadm，負責爲ipvs內核框架編寫規則，定義誰是集羣服務，而誰是後端真實的服務器(Real Server)

LVS和Keepalived

在lvs+keepalived環境裏面，lvs主要的工做是提供調度算法，把客戶端請求按照需求調度在real服務器，keepalived主要的工做是提供lvs控制器的一個冗餘，而且對real服務器作健康檢查，發現不健康的real服務器，就把它從lvs集羣中剔除，real服務器只負責提供服務。算法

LVS/DR

重點將請求報文的目標MAC地址設定爲挑選出的RS的MAC地址

(1) 當用戶請求到達Director Server，此時請求的數據報文會先到內核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP爲CIP，目標IP爲VIP
(2) PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
(3) IPVS比對數據包請求的服務是否爲集羣服務，如果，將請求報文中的源MAC地址修改成DIP的MAC地址，將目標MAC地址修改RIP的MAC地址，而後將數據包發至POSTROUTING鏈。 此時的源IP和目的IP均未修改，僅修改了源MAC地址爲DIP的MAC地址，目標MAC地址爲RIP的MAC地址
(4) 因爲DS和RS在同一個網絡中，因此是經過二層來傳輸。POSTROUTING鏈檢查目標MAC地址爲RIP的MAC地址，那麼此時數據包將會發至Real Server。
(5) RS發現請求報文的MAC地址是本身的MAC地址，就接收此報文。處理完成以後，將響應報文經過lo接口傳送給eth0網卡而後向外發出。 此時的源IP地址爲VIP，目標IP爲CIP
(6) 響應報文最終送達至客戶端vim

LVS/DR模型的特性
  • 特色1：保證前端路由將目標地址爲VIP報文通通發給Director Server，而不是RS
  • RS可使用私有地址；也能夠是公網地址，若是使用公網地址，此時能夠經過互聯網對RIP進行直接訪問
  • RS跟Director Server必須在同一個物理網絡中
  • 全部的請求報文經由Director Server，但響應報文必須不能進過Director Server
  • 不支持地址轉換，也不支持端口映射
  • RS能夠是大多數常見的操做系統
  • RS的網關毫不容許指向DIP(由於咱們不容許他通過director)
  • RS上的lo接口配置VIP的IP地址
  • 缺陷：RS和DS必須在同一機房中
特色1的解決方案：
  • 在前端路由器作靜態地址路由綁定，將對於VIP的地址僅路由到Director Server
  • 存在問題：用戶未必有路由操做權限，由於有多是運營商提供的，因此這個方法未必實用
  • arptables：在arp的層次上實如今ARP解析時作防火牆規則，過濾RS響應ARP請求。這是由iptables提供的
  • 修改RS上內核參數（arp_ignore和arp_announce）將RS上的VIP配置在lo接口的別名上，並限制其不能響應對VIP地址解析請求。

DR（Direct Routing 直接路由模式）此模式時LVS 調度器只接收客戶發來的請求並將請求轉發給後端服務器，後端服務器處理請求後直接把內容直接響應給客戶，而不用再次通過LVS調度器。LVS只須要將網絡幀的MAC地址修改成某一臺後端服務器RS的MAC，該包就會被轉發到相應的RS處理，注意此時的源IP和目標IP都沒變。RS收到LVS轉發來的包時，鏈路層發現MAC是本身的，到上面的網絡層，發現IP也是本身的，因而這個包被合法地接受，RS感知不到前面有LVS的存在。而當RS返回響應時，只要直接向源IP（即用戶的IP）返回便可，再也不通過LVS。後端

注意：
(1) 確保前端路由器將目標IP爲VIP的請求報文發往Director：安全

(a) 在前端網關作靜態綁定；
(b) 在RS上使用arptables；
(c) 在RS上修改內核參數以限制arp通告及應答級別；
        arp_announce
        arp_ignore

(2) RS的RIP可使用私網地址，也能夠是公網地址；RIP與DIP在同一IP網絡；RIP的網關不能指向DIP，以確保響應報文不會經由Director；
(3) RS跟Director要在同一個物理網絡；
(4) 請求報文要經由Director，但響應不能經由Director，而是由RS直接發往Client；
(5) 此模式不支持端口映射；

缺點：惟一的缺陷在於它要求LVS 調度器及全部應用服務器在同一個網段中，所以不能實現集羣的跨網段應用。

優勢：可見在處理過程當中LVS Route只處理請求的直接路由轉發，全部響應結果由各個應用服務器自行處理，並對用戶進行回覆，網絡流量將集中在LVS調度器之上。

配置LVS-DR

DS

# Install keepalived
# Ubuntu
apt-get install keepalived ipvsadm
# CentOS
yum install keepalived ipvsadm

# update iptables
vim /etc/sysconfig/iptables

# For keepalived:
# allow vrrp 
-A INPUT -p vrrp -j ACCEPT
-A INPUT -p igmp -j ACCEPT
# allow multicast
-A INPUT -d 224.0.0.18 -j ACCEPT

# reload iptables
service iptables reload

# open ip_forward
echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# edit sysctl.conf
vi /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1

sysctl -p

# keepalived for lvs-dr
vim /etc/keepalived/keepalived.conf

vrrp_sync_group GOP {
    group {
        VI_PRI_CONNECT
        VI_PRI_AUTH
    }
}

vrrp_instance VI_PRI_CONNECT {
    state BACKUP
    interface bond0
    virtual_router_id 128
    priority 100
    advert_int 1
    nopreempt
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        10.65.32.28/23 dev bond0
    }
}

virtual_server 10.65.32.28 80 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    protocol TCP

    real_server 10.65.32.13 80 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 80
        }
    }
    real_server 10.65.32.14 80 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 80
        }
    }
}

virtual_server 10.65.32.28 443 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    protocol TCP

    real_server 10.65.32.13 443 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 443
        }
    }
    real_server 10.65.32.14 80 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 443
        }
    }
}

vrrp_instance VI_PRI_AUTH {
    state BACKUP
    interface bond0
    virtual_router_id 129
    priority 100
    advert_int 1
    nopreempt
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        10.65.32.29/23 dev bond0
    }
}

virtual_server 10.65.32.29 80 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    protocol TCP

    real_server 10.65.32.22 80 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 80
        }
    }
    real_server 110.65.32.23 80 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 80
        }
    }
}

virtual_server 10.65.32.29 443 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    protocol TCP

    real_server 10.65.32.22 443 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 443
        }
    }
    real_server 110.65.32.23 443 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 443
        }
    }
}

# enable and start keepalived
systemctl start keepalived
systemctl enable keepalived
watch ipvsadm -L -n --stats

RS

  1. Edit "/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo" to patch bug in Centos 7 (if using Centos 7). Add TYPE=Loopback to the file.
  2. Add loopback for each Virtual IP on each worker. E.g. first virtual IP create file "/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0".
  3. Start adapters if not yet started
# add TYPE=Loopback
echo "TYPE=Loopback" >> /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo
# add ifcfg-lo:0
cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0 << EOF
DEVICE=lo:0
IPADDR=10.65.32.28
NETMASK=255.255.255.255
ONBOOT=yes
EOF

# ifup lo:0
ifup lo:0

# add real_start
cat > /root/real_start.sh << EOF
#!/bin/bash
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
EOF

# chmod 755
chmod 755 /root/real_start.sh

# add real.service
cat > /usr/lib/systemd/system/real.service << EOF
[Unit]
Description=autostart lvs real
After=network.target remote-fs.target nss-lookup.target

[Service]
Type=forking
ExecStart=/root/real_start.sh

[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF

# enable service
systemctl enable real.service


# lvs real server example
vim /root/lvs_real.sh

#!/bin/bash
### BEGIN INIT INFO
# Provides:
# Default-Start:     2 3 4 5
# Default-Stop:      0 1 6
# Short-Description: Start realserver
# Description:       Start realserver
### END INIT INFO

# change the VIP to proper value
VIP=10.65.32.28

case "$1" in
    start)

    echo "Start REAL Server"
    /sbin/ifconfig lo:0 $VIP broadcast $VIP netmask 255.255.255.255 up
    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

    ;;

    stop)

    /sbin/ifconfig lo:0 down
    echo "Stop REAL Server"
    echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
    echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
    echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
    echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

    ;;

    restart)

    $0 stop
    $0 start

    ;;

    *)

    echo "Usage: $0 {start|stop}"
    exit 1

    ;;
esac

exit 0

配置LVS/DR和LVS/TUN混合模式

DS

# 關於3中模式的參數
[packet-forwarding-method]
       -g, --gatewaying  Use gatewaying (direct routing). This is the default.
       -i, --ipip  Use ipip encapsulation (tunneling).
       -m, --masquerading  Use masquerading (network access translation, or NAT).
       Note:  Regardless of the packet-forwarding mechanism specified, real servers for addresses for which there are interfaces on the local node will  be  use  the
       local  forwarding  method, then packets for the servers will be passed to upper layer on the local node. This cannot be specified by ipvsadm, rather it set by
       the kernel as real servers are added or modified.

# ipvsadm命令行混配
/sbin/ifconfig tunl0 10.10.36.11 broadcast 10.10.36.11 netmask 255.255.255.255 up
/sbin/route add -host 10.10.36.11 dev tunl0
/sbin/ipvsadm -At 10.10.36.11:80 -s rr
/sbin/ipvsadm -at 10.10.36.11:80 -r 10.10.36.4:80 -g -w 1
/sbin/ipvsadm -at 10.10.36.11:80 -r 10.10.36.7:80 -i -w 1

# keepalived混配
vrrp_sync_group GOP {
    group {
        VI_PRI_AUTH
    }
}

vrrp_instance VI_PRI_AUTH {
    state BACKUP
    interface em1
    virtual_router_id 11
    priority 100
    advert_int 1
    nopreempt
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        10.10.36.11/23 dev em1
    }
}

virtual_server 10.10.36.11 80 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind DR
    protocol TCP

    real_server 10.10.36.4 80 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 80
        }
    }
}

virtual_server 10.10.36.11 80 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr
    lb_kind TUN
    protocol TCP

    real_server 10.10.36.7 80 {
        weight 100
        TCP_CHECK {
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
                connect_port 80
        }
    }
}

# 檢查結果可用
[root@d126027 wangao]# for i in {1..100}; do curl 10.10.36.11; sleep 0.5; done
rs2
rs1
rs2
rs1
rs2

[root@d126009 keepalived]# ipvsadm -Ln --stats
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port               Conns   InPkts  OutPkts  InBytes OutBytes
  -> RemoteAddress:Port
TCP  10.10.36.11:80                    100      700        0    36700        0
  -> 10.10.36.4:80                      50      350        0    18350        0
  -> 10.10.36.7:80                      50      350        0    18350        0

RS

DR和TUN的模式基本不用作改動

LVS和Keepalived系列

LVS和Keepalived的原理介紹和配置實踐
LVS原理介紹和配置實踐
Keepalived原理介紹和配置實踐
LVS-NAT原理介紹和配置實踐
LVS-DR原理介紹和配置實踐
LVS-TUN原理介紹和配置實踐

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