LVS/NAT工作模式介绍及配置

1.1 LVS/NAT模式工作原理

LVS（Linux Virtual Server）的网络地址转换（NAT）模式是一种在网络层（第四层）实现负载均衡的方法。在NAT模式中，Director Server（DS）充当所有服务器节点的网关，既是客户端请求的入口，也是Real Server响应客户端的出口。以下是LVS NAT模式的工作原理：

  • VIP和DIP：DS拥有两个IP地址，一个是外部的VIP（虚拟IP），作为整个集群的对外服务地址；另一个是内部的DIP（Director IP），与后端的Real Server（RS）位于同一个物理网络中。RS通常使用私有IP地址。

  • 请求处理：客户端发送的请求数据包（源IP为CIP，即客户端IP；目标IP为VIP）首先到达DS。DS的内核空间检查到目标IP是VIP，IPVS模块判断请求的服务是否属于集群服务。

  • 负载均衡：如果是集群服务，DS使用预设的负载均衡算法选择一个RS，并修改请求数据包的目标IP地址为选定的RS的IP（RIP），同时修改源MAC地址为DS的MAC地址，目标MAC地址为RS的MAC地址，然后将数据包发送给RS。

  • RS处理：RS接收到请求后，处理它并准备响应。RS将响应数据包的源IP设置为RIP，目标IP设置为CIP。

  • 响应路由：RS将响应数据包发送回DS，DS再次修改数据包，将源IP更改为VIP，然后转发给客户端。

  • NAT转换：在整个过程中，DS作为NAT设备，负责将请求数据包的源IP从客户端IP转换为DS的VIP，并将响应数据包的源IP从RS的私有IP转换回VIP。

1.2 LVS/NAT模式特点

特点描述
地址转换使用NAT技术将请求的目标IP修改为RS的IP。
流量转发请求经LVS处理，响应直接从RS返回给客户端。
网关角色LVS作为RS的默认网关。
IP地址管理RS使用私有IP，VIP作为集群的公共IP。
性能考虑LVS可能成为瓶颈，因为所有流量都经过它。
安全性隐藏RS的真实IP，提高安全性。
易于配置灵活的配置，LVS和RS不需要在同一个物理网络。
适用性适用于多种网络环境，尤其是在RS分布广泛时。
健康检查LVS提供对RS的健康检查功能。
可扩展性通过增加RS数量水平扩展服务能力。
透明性对客户端透明，客户端不知道负载均衡的存在。
协议支持支持TCP、UDP等协议，适用于多种应用。

重点：在LVS中，NAT模式的请求和响应都经过负载调度器，而DR模式的请求经过负载调度器，但响应直接从真实服务器返回给客户端，不经过负载调度器。

1.3 LVS/NAT模式基本配置

机器名称IP地址子网掩码说明
LVS192.168.110.31255.255.255.0负载均衡器
RS1192.168.110.32255.255.255.0真实服务器1
RS2192.168.110.33255.255.255.0真实服务器2
Client10.10.10.24255.255.255.0客户端

VIP的配置：

VIP名称IP地址子网掩码配置位置
VIP10.10.10.10255.255.255.0LVS的ens224

1.3.1 网络配置

1.3.1.1 LVS网络配置

手动添加一块网卡!

[root@LVS ~]# nmcli connection add type ethernet ifname ens224 con-name ens224
Connection 'ens224' (862fd4d0-b355-4837-9c0e-b44f65083edb) successfully added.
[root@LVS ~]# nmcli connection modify ens224 ipv4.addresses 10.10.10.10/24 ipv4.method manual
[root@LVS ~]# nmcli connection up ens224 
Connection successfully activated (D-Bus active path: /org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/3)
[root@LVS ~]# nmcli connection show 
NAME                UUID                                  TYPE      DEVICE 
ens160              8c508417-bf3f-4c7d-b1f4-671fd135dd99  ethernet  ens160 
ens224              862fd4d0-b355-4837-9c0e-b44f65083edb  ethernet  ens224 
Wired connection 1  d3eafb69-d94d-36f8-b2ba-fa612d252638  ethernet  --   
[root@LVS ~]# ip address show ens224   #作为VIP
3: ens224: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:d1:a9:f5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp19s0
    inet 10.10.10.10/24 brd 10.10.10.255 scope global noprefixroute ens224
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::1c9c:5880:bcb6:4c2e/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
​
[root@LVS ~]# ip address show ens160   #作为网关
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:d1:a9:eb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp3s0
    inet 192.168.110.31/24 brd 192.168.110.255 scope global noprefixroute ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::20c:29ff:fed1:a9eb/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
1.3.1.2 配置RS网关
1、LVS-RS1
[root@LVS-RS1 ~]# nmcli connection modify ens160 ipv4.gateway 192.168.110.31  #网关为LVS的ens160
[root@LVS-RS1 ~]# nmcli connection up ens160 
Connection successfully activated (D-Bus active path: /org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/2)
[root@LVS-RS1 ~]# nmcli connection show ens160 | grep IP4.GATEWAY
IP4.GATEWAY:                            192.168.110.31
2、LVS-RS2
[root@LVS-RS2 ~]# nmcli connection modify ens160 ipv4.gateway 192.168.110.31
[root@LVS-RS2 ~]# nmcli connection up ens160 
Connection successfully activated (D-Bus active path: /org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/2)
[root@LVS-RS2 ~]# nmcli connection show ens160 | grep IP4.GATEWAY
IP4.GATEWAY:                            192.168.110.31
1.3.1.3 配置客户端地址（SSH连接会断）
[root@Client ~]# nmcli connection modify ens160 ipv4.addresses 10.10.10.24/24
[root@Client ~]# nmcli connection up ens160 
[root@LVS ~]# ssh 10.10.10.24   #复制一个LVS的会话，ssh连接
The authenticity of host '10.10.10.24 (10.10.10.24)' can't be established.
ECDSA key fingerprint is SHA256:VZC8CrnTIve72qGMS4toH88Px76O0yQw6TVoFKQtsuY.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no/[fingerprint])? yes
Warning: Permanently added '10.10.10.24' (ECDSA) to the list of known hosts.
root@10.10.10.24's password: 
Activate the web console with: systemctl enable --now cockpit.socket
​
Last login: Fri Apr 26 14:53:04 2024
[root@Client ~]# ip address show ens160 
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:ed:bb:87 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp3s0
    inet 10.10.10.24/24 brd 10.10.10.255 scope global noprefixroute ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::20c:29ff:feed:bb87/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever

1.3.2 LVS/NAT配置

1.3.2.1 开启路由转发(临时开启)
[root@LVS ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
0
[root@LVS ~]# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
[root@LVS ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
1
1.3.2.2 LVS配置
[root@LVS ~]# ipvsadm -At 10.10.10.10:80 -s rr
[root@LVS ~]# ipvsadm -at 10.10.10.10:80 -r 192.168.110.32 -m   #注意-m为指定为nat模式
[root@LVS ~]# ipvsadm -at 10.10.10.10:80 -r 192.168.110.33 -m
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.10.10.10:80 rr
  -> 192.168.110.32:80            Masq    1      0          0         
  -> 192.168.110.33:80            Masq    1      0          0  
1.3.2.3 客户端访问
[root@Client ~]# for ((i=1;i<=6;i++)); do curl http://10.10.10.10; done
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
1.3.2.4 修改调度算法
[root@LVS ~]# ipvsadm -Et 10.10.10.10:80 -s wrr
[root@LVS ~]# ipvsadm -et 10.10.10.10:80 -r 192.168.110.32 -m -w 1   #-w为指定权重比
[root@LVS ~]# ipvsadm -et 10.10.10.10:80 -r 192.168.110.33 -m -w 2
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.10.10.10:80 wrr
  -> 192.168.110.32:80            Masq    1      0          0         
  -> 192.168.110.33:80            Masq    2      0          0    
  
  
#客户端访问测试
[root@Client ~]# for ((i=1;i<=6;i++)); do curl http://10.10.10.10; done
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2

1.4 配置LVS/NAT服务脚本

1.4.1 清除环境

[root@LVS ~]# ipvsadm -C    #清楚服务器列表
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

1.4.2 服务脚本

[root@LVS ~]# vim /etc/init.d/LVS_DR 
#!/bin/bash
​
# Startup script handle the initialisation of LVS
# chkconfig: - 28 72
# description: Initialise the Linux Virtual Server for DR
# Provides: ipvsadm
# Required-Start: $local_fs $network $named
# Required-Stop: $local_fs $remote_fs $network
# Short-Description: Initialise the Linux Virtual Server
# Description: The Linux Virtual Server is a highly scalable and highly
# available server built on a cluster of real servers, with the load
# balancer running on Linux.
​
LOCK=/var/lock/ipvsadm.lock
VIP=10.10.10.10
RIP1=192.168.110.32
RIP2=192.168.110.33
​
. /etc/rc.d/init.d/functions
​
start() {
    PID=`ipvsadm -Ln | grep ${VIP} | wc -l`
    if [ $PID -gt 0 ]; then
        echo "The LVS-DR Server is already running !"
    else
        /sbin/ipvsadm -C
        /sbin/ipvsadm -At $VIP:80 -s rr
        /sbin/ipvsadm -at $VIP:80 -r $RIP1:80 -m
        /sbin/ipvsadm -at $VIP:80 -r $RIP2:80 -m
        /bin/touch $LOCK
        echo "starting LVS-DR Server is ok !"
    fi
}
​
stop() {
    /sbin/ipvsadm -C
    rm -rf $LOCK
    echo "stopping LVS-DR server is ok !"
}
​
status() {
    if [ -e $LOCK ]; then
        echo "The LVS-DR Server is already running !"
    else
        echo "The LVS-DR Server is not running !"
    fi
}
​
case "$1" in
    start)
        start
        ;;
    stop)
        stop
        ;;
    restart)
        stop
        start
        ;;
    status)
        status
        ;;
    *)
        echo "Usage: $1 {start|stop|restart|status}"
        exit 1
esac
exit 0
​
​
[root@LVS ~]# chmod +x /etc/init.d/LVS_DR 
[root@LVS ~]# chkconfig --add LVS_DR   #添加为系统服务
[root@LVS ~]# systemctl start LVS_DR.service 
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.10.10.10:80 rr
  -> 192.168.110.32:80            Masq    1      0          0         
  -> 192.168.110.33:80            Masq    1      0          0    
​
[root@LVS ~]# systemctl stop LVS_DR.service   #停止
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

1.4.3 客户端访问

[root@Client ~]# for ((i=1;i<=6;i++)); do curl http://10.10.10.10; done
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1

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