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LVSDR原理介绍和配置实践

jiezi

前言

本文主要讲述 LVS-DR 原理介绍和配置实践，HA 高可用方案基于 Keepalived。

LVS-DR 原理介绍和配置实践

更新历史

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 三种模式的原理和配置实践
2018 年 12 月 03 日 – 精简和更新配置步骤
2018 年 07 月 31 日 – 初稿

阅读原文 – https://wsgzao.github.io/post…

扩展阅读

LVS – http://www.linuxvirtualserver…
Keepalived – http://www.keepalived.org/

ReadMe

参考文章

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

相关术语

以下术语涉及 LVS 三种工作模式的原理

  • LB (Load Balancer 负载均衡)
  • HA (High Available 高可用)
  • Failover (失败切换)
  • Cluster (集群)
  • LVS (Linux Virtual Server Linux 虚拟服务器)
  • DS (Director Server)，指的是前端负载均衡器节点
  • RS (Real Server)，后端真实的工作服务器
  • VIP (Virtual IP)，虚拟的 IP 地址，向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的 IP 地址
  • DIP (Director IP)，主要用于和内部主机通讯的 IP 地址
  • RIP (Real Server IP)，后端服务器的 IP 地址
  • CIP (Client IP)，访问客户端的 IP 地址

LVS 三种模式的主要区别

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
模式与特点 NAT 模式 IPIP 模式 DR 模式
对服务器的要求 服务节点可以使任何操作系统 必须支持 IP 隧道，目前只有 Linux 系统支持 服务器节点支持虚拟网卡设备，能够禁用设备的 ARP 响应
网络要求 拥有私有 IP 地址的局域网络 拥有合法 IP 地址的局域，网或广域网 拥有合法 IP 地址的局域，服务器节点与负载均衡器必须在同一个网段
通常支持节点数量 10 到 20 个，根据负载均衡器的处理能力而定 较高，可以支持 100 个服务节点 较高，可以支持 100 个服务节点
网关 负载均衡器为服务器节点网关 服务器的节点同自己的网关或者路由器连接，不经过负载均衡器 服务节点同自己的网关或者路由器连接，不经过负载均衡器
服务节点安全性 较好，采用内部 IP，服务节点隐蔽 较差，采用公用 IP 地址，节点安全暴露 较差，采用公用 IP 地址，节点安全暴露
IP 要求 仅需要一个合法的 IP 地址作为 VIP 地址 除了 VIPO 地址外，每个服务器界定啊需要拥有合法的 IP 地址，可以直接从路由到客户端 除了 VIP 外，每个服务节点需拥有合法的 IP 地址，可以直接从路由到客户端
特点 地址转换 封装 IP 修改 MAC 地址
配置复杂度 简单 复杂 复杂

LVS 基本工作原理

  1. 当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间
  2. PREROUTING 链首先会接收到用户请求，判断目标 IP 确定是本机 IP，将数据包发往 INPUT 链
  3. IPVS 是工作在 INPUT 链上的，当用户请求到达 INPUT 时，IPVS 会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时 IPVS 会强行修改数据包里的目标 IP 地址及端口，并将新的数据包发往 POSTROUTING 链
  4. POSTROUTING 链接收数据包后发现目标 IP 地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

LVS 的组成

LVS 由 2 部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

  1. ipvs(ip virtual server)：一段代码工作在内核空间，叫 ipvs，是真正生效实现调度的代码。
  2. ipvsadm：另外一段是工作在用户空间，叫 ipvsadm，负责为 ipvs 内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器 (Real Server)

LVS 和 Keepalived

在 lvs+keepalived 环境里面，lvs 主要的工作是提供调度算法，把客户端请求按照需求调度在 real 服务器，keepalived 主要的工作是提供 lvs 控制器的一个冗余，并且对 real 服务器做健康检查，发现不健康的 real 服务器，就把它从 lvs 集群中剔除，real 服务器只负责提供服务。

LVS/DR

重点将请求报文的目标 MAC 地址设定为挑选出的 RS 的 MAC 地址

(1) 当用户请求到达 Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的 PREROUTING 链。此时报文的源 IP 为 CIP，目标 IP 为 VIP
(2) PREROUTING 检查发现数据包的目标 IP 是本机，将数据包送至 INPUT 链
(3) IPVS 比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源 MAC 地址修改为 DIP 的 MAC 地址，将目标 MAC 地址修改 RIP 的 MAC 地址，然后将数据包发至 POSTROUTING 链。此时的源 IP 和目的 IP 均未修改，仅修改了源 MAC 地址为 DIP 的 MAC 地址，目标 MAC 地址为 RIP 的 MAC 地址
(4) 由于 DS 和 RS 在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING 链检查目标 MAC 地址为 RIP 的 MAC 地址，那么此时数据包将会发至 Real Server。
(5) RS 发现请求报文的 MAC 地址是自己的 MAC 地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过 lo 接口传送给 eth0 网卡然后向外发出。此时的源 IP 地址为 VIP，目标 IP 为 CIP
(6) 响应报文最终送达至客户端

LVS/DR 模型的特性

  • 特点 1 ：保证前端路由将目标地址为 VIP 报文统统发给 Director Server，而不是 RS
  • RS 可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对 RIP 进行直接访问
  • RS 跟 Director Server 必须在同一个物理网络中
  • 所有的请求报文经由 Director Server，但响应报文必须不能进过 Director Server
  • 不支持地址转换，也不支持端口映射
  • RS 可以是大多数常见的操作系统
  • RS 的网关绝不允许指向 DIP(因为我们不允许他经过 director)
  • RS 上的 lo 接口配置 VIP 的 IP 地址
  • 缺陷：RS 和 DS 必须在同一机房中

特点 1 的解决方案：

  • 在前端路由器做静态地址路由绑定，将对于 VIP 的地址仅路由到 Director Server
  • 存在问题：用户未必有路由操作权限，因为有可能是运营商提供的，所以这个方法未必实用
  • arptables：在 arp 的层次上实现在 ARP 解析时做防火墙规则，过滤 RS 响应 ARP 请求。这是由 iptables 提供的
  • 修改 RS 上内核参数（arp_ignore 和 arp_announce）将 RS 上的 VIP 配置在 lo 接口的别名上，并限制其不能响应对 VIP 地址解析请求。

DR（Direct Routing 直接路由模式）此模式时 LVS 调度器只接收客户发来的请求并将请求转发给后端服务器，后端服务器处理请求后直接把内容直接响应给客户，而不用再次经过 LVS 调度器。LVS 只需要将网络帧的 MAC 地址修改为某一台后端服务器 RS 的 MAC，该包就会被转发到相应的 RS 处理，注意此时的源 IP 和目标 IP 都没变。RS 收到 LVS 转发来的包时，链路层发现 MAC 是自己的，到上面的网络层，发现 IP 也是自己的，于是这个包被合法地接受，RS 感知不到前面有 LVS 的存在。而当 RS 返回响应时，只要直接向源 IP（即用户的 IP）返回即可，不再经过 LVS。

注意：
(1) 确保前端路由器将目标 IP 为 VIP 的请求报文发往 Director：

(a) 在前端网关做静态绑定；(b) 在 RS 上使用 arptables；(c) 在 RS 上修改内核参数以限制 arp 通告及应答级别；arp_announce
        arp_ignore

(2) RS 的 RIP 可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP 与 DIP 在同一 IP 网络；RIP 的网关不能指向 DIP，以确保响应报文不会经由 Director；
(3) RS 跟 Director 要在同一个物理网络；
(4) 请求报文要经由 Director，但响应不能经由 Director，而是由 RS 直接发往 Client；
(5) 此模式不支持端口映射；

缺点：唯一的缺陷在于它要求 LVS 调度器及所有应用服务器在同一个网段中，因此不能实现集群的跨网段应用。

优点：可见在处理过程中 LVS Route 只处理请求的直接路由转发，所有响应结果由各个应用服务器自行处理，并对用户进行回复，网络流量将集中在 LVS 调度器之上。

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

# 关于 3 中模式的参数
[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
        }
    }
}

# 检查结果可用
[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 的模式基本不用做改动

LVS 和 Keepalived 系列

LVS 和 Keepalived 的原理介绍和配置实践
LVS 原理介绍和配置实践
Keepalived 原理介绍和配置实践
LVS-NAT 原理介绍和配置实践
LVS-DR 原理介绍和配置实践
LVS-TUN 原理介绍和配置实践

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