就是要你懂负载均衡--lvs和转发模式

本文希望阐述清楚LVS的各种转发模式,以及他们的工作流程和优缺点,同时从网络包的流转原理上解释清楚优缺点的来由,并结合阿里云的slb来说明优缺点。

如果对网络包是怎么流转的不太清楚,推荐先看这篇基础: 程序员的网络知识 -- 一个网络包的旅程 ,对后面理解LVS的各个转发模式非常有帮助。

几个术语和缩写

cip:Client IP,客户端地址
vip:Virtual IP,LVS实例IP
rip:Real IP,后端RS地址
RS: Real Server 后端真正提供服务的机器
LB: Load Balance 负载均衡器
LVS: Linux Virtual Server
sip: source ip
dip: destination

LVS的几种转发模式

  • DR模型 -- (Director Routing-直接路由)
  • NAT模型 -- (NetWork Address Translation-网络地址转换)
  • fullNAT -- (full NAT)
  • ENAT --(enhence NAT 或者叫三角模式/DNAT,阿里云提供)
  • IP TUN模型 -- (IP Tunneling - IP隧道)

DR模型(Director Routing--直接路由)

如上图所示基本流程(假设 cip 是200.200.200.2, vip是200.200.200.1):

  1. 请求流量(sip 200.200.200.2, dip 200.200.200.1) 先到达 LVS
  2. 然后LVS,根据负载策略挑选众多 RS中的一个,然后将这个网络包的MAC地址修改成这个选中的RS的MAC
  3. 然后丢给交换机,交换机将这个包丢给选中的RS
  4. 选中的RS看到MAC地址是自己的、dip也是自己的,愉快地手下并处理、回复
  5. 回复包(sip 200.200.200.1, dip 200.200.200.2)
  6. 经过交换机直接回复给client了(不再走LVS)

我们看到上面流程,请求包到达LVS后,LVS只对包的目的MAC地址作了修改,回复包直接回给了client。

同时还能看到多个RS和LVS都共用了同一个IP但是用的不同的MAC,在二层路由不需要IP,他们又在同一个vlan,所以这里没问题。

RS上会将vip配置在lo回环网卡上,同时route中添加相应的规则,这样在第四步收到的包能被os正常处理。

优点:

  • DR模式是性能最好的一种模式,入站请求走LVS,回复报文绕过LVS直接发给Client

缺点:

  • 要求LVS和rs在同一个vlan;
  • RS需要配置vip同时特殊处理arp;
  • 不支持端口映射。

为什么要求LVS和RS在同一个vlan(或者说同一个二层网络里)

因为DR模式依赖多个RS和LVS共用同一个VIP,然后依据MAC地址来在LVS和多个RS之间路由,所以LVS和RS必须在一个vlan或者说同一个二层网络里

DR 模式为什么性能最好

因为回复包不走LVS了,大部分情况下都是请求包小,回复包大,LVS很容易成为流量瓶颈,同时LVS只需要修改进来的包的MAC地址。

DR 模式为什么回包不需要走LVS了

因为RS和LVS共享同一个vip,回复的时候RS能正确地填好sip为vip,不再需要LVS来多修改一次(后面讲的NAT、Full NAT都需要)

总结下 DR的结构

绿色是请求包进来,红色是修改过MAC的请求包

NAT模型(NetWork Address Translation - 网络地址转换)

nat模式的结构图如下:

基本流程:

  1. client发出请求(sip 200.200.200.2,dip 200.200.200.1)
  2. 请求包到达lvs,lvs修改请求包为(sip 200.200.200.2, dip rip)
  3. 请求包到达rs, rs回复(sip rip,dip 200.200.200.2)
  4. 这个回复包不能直接给client,因为rip不是VIP会被reset掉
  5. 但是因为lvs是网关,所以这个回复包先走到网关,网关有机会修改sip
  6. 网关修改sip为VIP,修改后的回复包(sip 200.200.200.1,dip 200.200.200.2)发给client

优点:

  • 配置简单
  • 支持端口映射(看名字就知道)
  • RIP一般是私有地址,主要用户LVS和RS之间通信

缺点:

  • LVS和所有RS必须在同一个vlan
  • 进出流量都要走LVS转发
  • LVS容易成为瓶颈
  • 一般而言需要将VIP配置成RS的网关

为什么NAT要求lvs和RS在同一个vlan

因为回复包必须经过lvs再次修改sip为vip,client才认,如果回复包的sip不是client包请求的dip(也就是vip),那么这个连接会被reset掉。如果LVS不是网关,因为回复包的dip是cip,那么可能从其它路由就走了,LVS没有机会修改回复包的sip

总结下NAT结构

注意这里LVS修改进出包的(sip, dip)的时候只改了其中一个,所以才有接下来的full NAT。当然NAT最大的缺点是要求LVS和RS必须在同一个vlan,这样限制了LVS集群和RS集群的部署灵活性,尤其是在阿里云这种对外售卖的公有云环境下,NAT基本不实用。

full NAT模型(full NetWork Address Translation-全部网络地址转换)

基本流程(类似NAT):

  1. client发出请求(sip 200.200.200.2 dip 200.200.200.1)
  2. 请求包到达lvs,lvs修改请求包为 (sip 200.200.200.1, dip rip)  注意这里sip/dip都被修改了
  3. 请求包到达rs, rs回复(sip rip,dip 200.200.200.1)
  4. 这个回复包的目的IP是VIP(不像NAT中是 cip),所以LVS和RS不在一个vlan通过IP路由也能到达lvs
  5. lvs修改sip为vip, dip为cip,修改后的回复包(sip 200.200.200.1,dip 200.200.200.2)发给client

优点:

  • 解决了NAT对LVS和RS要求在同一个vlan的问题,适用更复杂的部署形式

缺点:

  • RS看不到cip(NAT模式下可以看到)
  • 进出流量还是都走的lvs,容易成为瓶颈(跟NAT一样都有这个问题)

为什么full NAT解决了NAT中要求的LVS和RS必须在同一个vlan的问题

因为LVS修改进来的包的时候把(sip, dip)都修改了(这也是full的主要含义吧),RS的回复包目的地址是vip(NAT中是cip),所以只要vip和rs之间三层可通就行,这样LVS和RS可以在不同的vlan了,也就是LVS不再要求是网关,从而LVS和RS可以在更复杂的网络环境下部署。

为什么full NAT后RS看不见cip了

因为cip被修改掉了,RS只能看到LVS的vip,在阿里内部会将cip放入TCP包的Option中传递给RS,RS上一般部署自己写的toa模块来从Options中读取的cip,这样RS能看到cip了, 当然这不是一个开源的通用方案。

总结下full NAT的结构

注意上图中绿色的进包和红色的出包他们的地址变化

那么到现在full NAT解决了NAT的同vlan的要求, 基本上可以用于公有云了 ,但是还是没解决进出流量都走LVS的问题(LVS要修改进出的包)

那么有没有一个方案能够像full NAT一样不限制lvs和RS之间的网络关系,同时出去的流量跟DR模式一样也不走LVS呢?

阿里云的ENAT模式(enhence NAT)

优点:

  • 不要求LVS和RS在同一个vlan
  • 出去的流量不需要走LVS,性能好

缺点:

  • 集团实现的自定义方案,需要在所有RS上安装ctk组件(类似full NAT中的toa)

基本流程:

  1. client发出请求(cip,vip)
  2. 请求包到达lvs,lvs修改请求包为(vip,rip),并将cip放入TCP Option中
  3. 请求包根据ip路由到达rs, ctk模块读取TCP Option中的cip
  4. 回复包(RIP, vip)被ctk模块截获,并将回复包改写为(vip, cip)
  5. 因为回复包的目的地址是cip所以不需要经过lvs,可以直接发给client

ENAT模式在内部也会被称为 三角模式或者DNAT/SNAT模式

为什么ENAT的回复包不需要走回LVS了

因为之前full NAT模式下要走回去是需要LVS再次改写回复包的IP,而ENAT模式下,这件事情在RS上被ctk模块提前做掉了

为什么ENAT的LVS和RS可以在不同的vlan

跟full NAT一样

总结下 ENAT的结构

最后说一下不太常用的 TUN模型

IP TUN模型(IP Tunneling - IP隧道)

基本流程:

  1. 请求包到达LVS后,LVS将请求包封装成一个新的IP报文
  2. 新的IP包的目的IP是某一RS的IP,然后转发给RS
  3. RS收到报文后IPIP内核模块解封装,取出用户的请求报文
  4. 发现目的IP是VIP,而自己的tunl0网卡上配置了这个IP,从而愉快地处理请求并将结果直接发送给客户

优点:

  • 集群节点可以跨vlan
  • 跟DR一样,响应报文直接发给client

缺点:

  • RS上必须安装运行IPIP模块
  • 多增加了一个IP头
  • LVS和RS上的tunl0虚拟网卡上配置同一个VIP(类似DR)

DR模式中LVS修改的是目的MAC

为什么IP TUN不要求同一个vlan

因为IP TUN中不是修改MAC来路由,所以不要求同一个vlan,只要求lvs和rs之间ip能通就行。DR模式要求的是lvs和RS之间广播能通

IP TUN性能

回包不走LVS,但是多做了一次封包解包,不如DR好

总结下 IP TUN的结构

图中红线是再次封装过的包,ipip是操作系统的一个内核模块。

DR可能在小公司用的比较多,IP TUN用的少一些,相对而言接下来的三种比较类似,用的也比较多,他们之间的可比较性很强,所以放在一块了。

参考资料

https://www.atatech.org/articles/15279

https://www.atatech.org/articles/48739

https://www.atatech.org/articles/48571

云服务ALB接入,后端依赖内核模块及接口使用指南

程序员的网络知识 -- 一个网络包的旅程

本文作者:plantegg

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