今天咱们来深度解密一下负载平衡器 LVS 的私密一路向西，信赖宇宙看了《你管这破玩意儿叫负载平衡?》这篇著作后，照旧有不少疑问，比如 LVS 看起来唯有雷同路由器的转发功能，为啥说它是四层(传输层)负载平衡器呢，今天咱们就来逐渐揭开 LVS 的迷雾，本文将会用图解的相貌浅入深地讨论 LVS 的责任机制。
最佳宇宙对网罗是怎样连结的，数据包的收发机制有所了解，这么会很容易交融本文的常识点，如果对此没意见，热烈提议宇宙望望我之前写的这篇著作，把网罗是怎样连结的给你安排得清清爽楚。
没看过也不环节，本文会对一些必要的常识点作念些铺垫，争取让宇宙皆能看懂。
负载平衡器的出生在很长一段时刻内小章公司的 DAU(日活)不着手 10，是以他只部署了一台机器，毕竟多一台机器要加钱，而且就算挂了也影响不了几个用户。
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但意外间小章的业务踩中了风口，业务量暴涨，dau 达到了好几万，眼看就要冲突十万，小章慌了，迅速全面升级了这台机器的内存，CPU 等建树，暂时扛往日了，但小章领会，单机性能不管奈何升皆会遭遇瓶颈，是以小章思了个办法，多部署几台机器，将流量对等分拨到这几台机器上。
奈何分拨呢，最简便的相貌，虽然是用 DNS 负载平衡，在域名融会职业器上开导负载平衡政策，让流量立地打到其中某台机器上。
但这个决策有以下两个显然的问题：
占用过多公网 IP，要知说念当今租一个公网 IP 但是要好几千 DNS 缓存可能会引起致命故障第一个问题加钱就能科罚，但第二个问题可不是加钱就能科罚的了，因为人所共知 DNS 融会是迭代或递归查询，需要经过 根 DNS 职业器 ->顶级DNS职业器->巨擘DNS职业器这三步查找才气融会到域名对应的 ip，可思可知这个融会是有何等耗时，是以一般会有 DNS 缓存，DNS 缓存主要有「浏览器缓存」，「操作系统缓存」，「路由器缓存」，「ISP 缓存」四种。
每次发起一个域名融会苦求，皆会循序在以上四个缓存里查找，如果射中缓存，则径直复返此域名对应的 IP，其中像 Chrome 缓存 1 分钟， ISP 缓存可能高达 1~2 个小时，于是问题就来了，如果某台机器宕机，但由于以上四个缓存中依然可能会有此域名的 IP 缓存，对苦求方而言，是感知不到的，那么只消缓存未逾期苦求方就会接续地将将流量打到这台挂掉的机器，引起线上故障，这虽然是不可容忍的。
那该奈何办呢，小章俄顷思起了想象机界的一个经典名言：「莫得什么是加一层科罚不了的问题，如果有，那就再多加一层」，何不在 DNS 与 server 间多加一层，负载平衡的责任让这个中间层来作念，小章思了下脑海中显现出了以下架构图：
不错看到这个负载平衡器(以下简称 LB)有以下特色：
对外用公网 ip(以下咱们简称 VIP) 贯串通盘流量，对内则与委果的职业器(即 Real Server，以下简称 RS)通讯，与 RS 在吞并个内网里 LB 只负载转发苦求的责任，本色的处理逻辑交由其背后的 RS，RS 处理完后将反应包发给 LB，然后 LB 再复返给 client于是网罗拓扑图改革如下：
接下来的重心等于 LB 是怎样责任的了，着手要领会，当咱们说收到一个苦求时，本色上收到的是一个数据包，那么这个数据包长啥样呢？
源IP，宗旨IP，源端口，宗旨端口，简称 TCP 四元组，四元组惟一详情一条一语气，在传输过程中四元组是不会变的，当今 LB 收到这个数据包之后，思将其转发给其背后的职业器，就要把宗旨 IP 改成职业器的 IP(假定为第二台机器，其 IP 地址为 192.168.0.3)，那么修改后的数据包如下：
当 RS 处理好后，由于这个数据包还要经过 LB 再转发给客户端，是以职业器的网关要开导为 LB 的内网 IP(即 192.168.0.1)再将数据包出去，LB 就能收到通盘的反应数据包了。
此时的数据包如下：
为什么 RS 的反应包要经过 LB 呢，因为为了保证四元组不变，LB 收到数据包后要将源 IP 改为 VIP，客户端才会识别到这是对之前苦求的正确反应。
画外音:客户端苦求与反应包的四元组不可变。
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修改后的数据包
是以纪念一下 LB 的主要责任机制：主如若修改了收支数据包的 IP，着手修改宗旨 IP 为其 RS 的 IP，将包传给 RS 处理，RS 处理完后再将包发给网关(LB)，LB 再修改源 IP 为其出口的 VIP，只消四元组不变，那么客户端就能闲居地收到其苦求的反应，为了让宇宙更直不雅地感受负载平衡的对 IP 的修改，我作念了一张动图，信赖宇宙看了交会通更潜入。
从客户端的角度来看，它觉得其与 LB 背后的 RS 通讯，但本色上它仅仅与 LB 通讯，LB 仅仅起到了一个捏造职业器的作用，是以咱们给它定名为 LVS(Linux Virtual Server)，LVS 仅仅起到了修改 IP 地址而且转发数据包的功能辛劳，由于它在数据包的收支过程中皆修改了 IP 地址，咱们称这阵势为 NAT(Network Address Translation，网罗地址调换) 阵势，不错看到这种责任阵势下，网罗苦求包和网罗反应包皆要经过。 LVS。
看到这问题似乎仍是好意思满科罚了，但是咱们忽略了一个问题：每个网罗数据包皆是有大小扫尾的。如下图示，在每个数据包中，每个 payload(一般为诈欺层数据)大小一般不可着手 1460 byte。
也等于说如果在客户端的苦求数据(比如 HTTP 苦求过大)着手了 1460 个字节，就要分包传，职业端收到通盘分包后再拼装成完整的诈欺层数据，那么显然，LVS 应该把吞并个苦求(即四元组相通)的分包转发给吞并个 RS，否则把分包传给不同的 RS，数据就不完整了。是以 LVS 要凭据四元组来记载包应该转发给哪一个 RS，四元组一样的数据包皆转发给吞并个 RS。
四元组的 IP 是在 IP Header 中，而端标语在 TCP Header 中，这意味着 LVS 需要卸下 TCP Header 拿到端标语，然后凭据四元组是否相通再决定是否转发到吞并台 RS 上，四元组对应一个 TCP 连结，也等于说 LVS 具有记载连结的功能，而连结是传输层的意见。至此信赖你领会开头的一个问题：「LVS 起到了转发包的功能，为什么说它是四层负载平衡」。
DR经过这么的想象，由于 LVS 负载平衡的作用，顶住科罚了单机瓶颈，小章的公司告成渡过了 C10K(并发连结 1 万)，C20K，。。。。的问题，渡过了瓶颈期，但跟着并发数越来越高，小章发现了一个大问题，LVS 逐渐扛不住了，因为所非凡据包的收支皆要经过它，这让它成为了很大的瓶颈，跟着 RS 水平推广数目越来越多， LVS 早晚要挂掉。能否让 LVS 只认真转发苦求包，但反应的数据包径直经由 RS 复返给客户端呢，雷同底下这么：
画外音：红色虚线为数据包的流转经过，不错看到反应数据包不经过 LVS
这么的话反应包就无须经过 LVS 了，LVS 的负载压力当然开释了，咱们把这种阵势称为 DR(Direct Router，径直路由)阵势
决策有了，那么奈何结束呢?这个想象决策有两个贵重点：
着手 LVS 照旧要承载通盘的苦求流量(接纳所非凡据包)，然后再凭据负载平衡算法转发给 RS RS 处理完后是不经过 LVS，径直将数据包转发给路由器再发给客户端的，意味着 RS 必须要有与 LVS 相似的 VIP(四元组不可变)，另外由以上拓扑图可知，它们也必须在吞并个子网里(严格地说，应该是吞并个 vlan，因为是通过交换机通讯的)，这就意味着 LVS 和 RS 皆必须要有两个 IP，一个 VIP，一个子网 IP那么一台主机怎样才气有两个 IP 呢?
咱们知说念想象神秘上网，着手要把网线插入彀卡，一个网卡其实就对应着一个 IP，是以一台主机配两个网卡就有两个 IP ，但大皆东说念主不知说念的是一个网卡是不错建树多个 IP 的，另外网卡一般分两种，一种是物理网卡，一种是捏造网卡。
物理网卡：不错插网线的网卡，如果有多个网卡，咱们一般将其定名为 eth0，eth1。。。，如果一个网卡对应多个 IP，以 eth0 为例，一般将其定名为 eth0，eth0:0，eth0:1。。。eth0:x，比如一台机器唯有一个网卡，但其对应两个 IP 192.168.1.2， 192.168.1.3，那么其绑定的网卡称号远隔为 eth0，eth0:0 捏造网卡：捏造网卡时时被称为 loopback，一般定名为 lo，是一个特殊的网罗接口，主要用于本机中各个诈欺之间的网罗交互(哪怕网线拔了，本机各个诈欺之间通过 lo 亦然能通讯的)，需要贵重的是捏造网卡和物理网卡一样，也不错绑定恣意 IP 地址，如果在捏造网卡建树了任何的 IP 地址，只消有物理网卡，就能到收到并处理宗旨 IP 为捏造网卡上 IP 的数据包，lo 默许绑定了 127.0.0.1 这个土产货 IP ，如果要绑定其他的 IP，对应的网卡定名一般为 lo:0，lo:1。。。画外音：一般职业器包括 LVS 是以双网卡的体式存在的，一来每个网卡带宽皆是有限的，双网卡十分于普及了一倍的带宽，二来两个网卡也起到了热备的作用，如果一个网卡坏了，另外一个不错顶上。
交融了以上常识点，咱们不错将拓扑图完善如下：
你可能贵重到了 RS 的 VIP 是绑定在 lo:0 捏造网卡上而不是物理网卡上，这是为什么呢，主如若为了保证苦求皆打到 LVS 上。
1. arp_ignore=1
着手咱们知说念 LVS 和 RS 皆位于吞并个子网，咱们需要了解一下子网的责任机制：子网一般称为以太网，主要用 mac 地址来通讯，位于 ISO 模子的二层，一驱动内网的机器相互不知说念相互的 mac 地址，需要通过 arp 机制来凭据 IP 得回其对应的 mac，得回之后着手会在土产货的 arp 表记载此 IP 对应的 mac(下次就径直在土产货缓存查找 mac)，然后会在包头上附上 IP 对应的 mac，再将包传输出去，交换机就会找到对应的机器了。
是以当客户端苦求 VIP 后，苦求到达了上图中的路由器，路由器要转发给此 IP 对应的机器，于是它着手发起了一个 arp 苦求但愿拿到 VIP 对应的 mac 地址。
那么当今问题来了，由于三台机器的 IP 皆为相通的 VIP，如果皆反应了 arp 苦求，就十分于一个 IP 对应了三个 mac，路由器该用谁的 mac 地址呢?
科罚决策很简便：由于苦求皆要经过 LVS，是以只让 LVS 反应 arp，扼制住另外两台 RS 对 VIP 的 arp 反应即可，不外苦求到达 LVS 后，LVS 还要将包转发给 RS(假定为 RS2 吧)，此时也要用到 arp 来得回 RS 的 mac 地址，但是贵重从 LVS 发起的 arp 苦求宗旨 IP 形成了 RS2 的内网 IP：115.205.4.217(绑定在物理网卡 eth0 上)。
总而言之， RS 不可反应宗旨 IP 为捏造网卡绑定的 VIP 的 arp 苦求，但能反应宗旨 IP 为物理网卡绑定的 IP 的 arp 苦求，这等于为什么 RS 需要把 VIP 绑定在捏造网卡上，而把内网 IP 绑定在物理网卡上的委果原因，等于为了 arp 反应的需要。
虽然一般职业器默许皆会反应通盘 IP 的 arp 反应，是以需要对 RS 作念很是建树，即：
net.ipv4.conf.all.arp_ignore=1 net.ipv4.conf.lo.arp_ignore=1
开导的 arp_ignore=1 暗意的含义如下：
1 - reply only if the target IP address is local address configured on the incoming interface
即咱们上述所说的，只反应宗旨 IP 为接纳网卡(即物理网卡)上的 IP 的 arp 苦求(会忽略宗旨 IP 为捏造网卡 上 VIP 的 arp 苦求)。
作了以上的开导后由于针对 VIP 的 arp 苦求唯有 LVS 会反应(路由器收到 LVS 的 arp 反应后会在 arp 缓存内外记载 VIP 的 mac 地址为 LVS 的mac)，是以不错保证通盘苦求皆会打到 LVS 上，然后 LVS 也告成地将数据包发给了 RS2，RS2 处理好后就准备把数据包从网卡发出了，但这里需要贵重，RS2 可不可径直把数据包通过物理网卡 eth0 传出去的，这么会导致数据包的源 IP 被修改为 eth0 的 IP(即 115.205.4.217)，会导致四元组发生变化(别问为什么，问等于契约栈的联系)，是以咱们需要很是建树一下，让数据包使用 lo 接口发送，如下：
route add -host 115.205.4.214 dev lo:0 # 添加一条路由，策划 IP 为 VIP 的数据包使用 lo 接口发送，这么反应报文的源 IP 就会为 VIP
然后再通过 eth0 发出去，这么可保证四元组不会发生变化。
2. arp_announce=2
接下来还有一个问题，RS2 奈何将数据包传给它的网关(即路由器)呢，由于它们照旧在吞并个子网，是以亦然通过 arp 的相貌先得回到网关的 mac，然后在以太网包头上装上网关的 mac 传给网关的。
但这里有一个点需要贵重，通过 arp 得回网关的 mac 时，网卡会发送一个包含「源IP」，「策划 IP」，「源 mac」的 arp 播送包。
时时情况下源 IP 不错采用为数据包的源 IP，也不错采用为物理网卡上的 IP，但在 DR 阵势下这里的源 IP 只可采用为物理网卡上 IP，这是为什么呢？
咱们知说念策划 IP 是网关 IP，是以网关会反应这个 arp 苦求，但同期网关在收到这个 arp 反应后也会在土产货的 arp 表更新：源 IP => 源 mac 这一项，这里的源 mac 为 RS2 的 mac，还难忘上文中路由器的 arp 缓存表仍是保存了 LVS 的 VIP 与 LVS 的 mac 的对应联系了吗，也等于说从 RS2 发出的 arp ，源 IP 如果是数据包的源 IP(即 VIP)，网关收到 arp 后会在路由表更新 VIP 的 mac 地址为 RS2 的 mac 的地址!这么下一次客户端苦求路由器就会径直把数据包转发给 RS2 而不会经过 LVS!是以 RS2 要发 arp 得回网关的 mac 时使用的源 IP 应该为其物理网卡(eth0)对应的 IP(即 115.205.4.217)，这么就幸免了上述问题，与 arp_ignore=1 一样，这一项也需要咱们手动建树：
net.ipv4.conf.all.arp_announce=2 net.ipv4.conf.lo.arp_announce=2
arp_announce=2 暗意的是忽略 IP 数据包的源 IP 地址，采用该发送网卡上最合适的土产货地址行为 arp 苦求的源 IP 地址
上头这段有点绕，宇宙不错多读几遍好好体会一下，其实主要宗旨等于为了幸免路由器的 ARP 缓存表误更新 VIP 的 mac 为 RS 的 mac
从上头的先容不错看出 DR 阵势是比拟复杂的，需要在 RS 上作念很是的建树，是以线上一般使用 NAT 阵势
FullNAT但问题又来了，该奈何科罚 NAT 阵势下 LVS 的单点问题呢，毕竟通盘收支流量皆出入吞并台 LVS(因为 RS 的网关唯有有一个)，在 RS 束缚扩容下，单点 LVS 很可能成为浩大的隐患，而且 LVS 要行为通盘 RS 的网关，意味着他们要在吞并个网段下。
如果在阿里云这些公有云平台上部署服气不试验，因为在公有云上，很可能 RS 是分散在各地的，这就意味着要跨 vlan 来通讯，而 NAT 显然不妥当条目，于是在 NAT 的基础上又繁衍出了 FullNAT，FullNAT 其实等于为了公有云而生的。
FullNAT
NAT 阵势下，LVS 只将数据包的策划 IP 改成了 RS 的 IP，而在 FullNAT 阵势下，LVS 还会将源 IP 地址也改为 LVS 的内网 IP(修改 IP 主要由 LVS 的内核模块 ip_vs 来操作)，贵重上图 LVS 内网 IP 和 RS 的 IP 是不错在不同网段下的，时时在公有云平台上，它们是部署在 intranet 即企业内网中的，这么的话 LVS 就不错跨网段和 RS 通讯了，也幸免了 LVS 的单点瓶颈，多台 LVS 皆不错将苦求转发给 RS。
如图示，部署了两台 LVS，它们内网与 RS 的不在吞并个网段，照样能通讯，部分读者可能会贵重到一个问题：LVS 转发给 RS 的数据包源 IP(即客户端 IP，client_ip)被替换成了内网 IP，这就意味着 RS 收到的数据包是不含有 client_ip 的，随机候 client_ip 对咱们分析数据有很紧迫的作用(比如分析下单在不同地域分散情况就需要 client_ip)，针对这种情况，LVS 会在收到苦求包后在数据包的 TCP Header 中插入。 client_ip。
上图等于是 TCP Header，client_ip 等于放在 tcp option 字段中的，然后 RS 上只消装配了 TOA 模块就能从中读取 client_ip，TCP 的这个 option 的字段也请示咱们在作念时刻决策想象的时候妥当的加多一些冗余字段能让你的活动可推广性更好。
纪念至此，信赖宇宙仍是领会了 LVS 的 NAT，DR ，FullNAT 的责任机制了，本色上 LVS 还有个 TUNNEL 贞洁阵势，仅仅坐蓐上不奈何用，是以不作念先容，另外每个 LVS 一般会作念双机热备，如下，备机通过定时发送心跳包能感受到 LVS 主机的存活，另外贵重虚线部分，备机还不错感知到职业器的存活，如果职业器挂了， LVS 会将其剔除，保证 LVS 转发的流量不会打到宕掉的机器上。
文中的小章等于章文嵩博士，1998 年他主导了 LVS 名堂的开导，一驱动唯有 NAT，DR，TUNNEL 三种阵势，但自后跟着阿里云云上职业的崛起，这三种阵势皆无法自豪本色的部署需要，是以他又训诲其部下基于 NAT 来作念改良出生了 FullNAT，值得一提的是 LVS 是少数几个国东说念主开导并得到 Linux 官方招供的开源软件，已集成进 Linux 内核，可见这又名堂的浩大价值与孝顺。
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