一、LVS介绍
简介
LVS是Linux Virtual Server的简称，即Linux虚拟服务器，创始人前阿里云首席科学家章文嵩(现已经在滴滴)，官方网站： 
- 负载调度器（load balancer），它是整个集群对外面的前端机，负责将客户的请求发送到一组服务器上执行。
- 服务器池（server pool），是一组真正执行客户请求的服务器，可以是WEB、MAIL、FTP和DNS服务器等。
- 共享存储（shared storage），它为服务器池提供一个共享的存储区，这样很容易使得服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务，例如数据库、分布式文件系统、网络存储等。
优缺点
- 高并发连接：LVS基于内核网络层面工作，有超强的承载能力和并发处理能力。单台LVS负载均衡器，可支持上万并发连接。稳定性强：是工作在网络4层之上仅作分发之用，这个特点也决定了它在负载均衡软件里的性能最强，稳定性最好，对内存和cpu资源消耗极低。
- 成本低廉：硬件负载均衡器少则十几万，多则几十万上百万，LVS只需一台服务器和就能免费部署使用，性价比极高。
- 配置简单：LVS配置非常简单，仅需几行命令即可完成配置，也可写成脚本进行管理。
- 支持多种算法：支持8种负载均衡算法，可根据业务场景灵活调配进行使用。
- 支持多种工作模型：可根据业务场景，使用不同的工作模式来解决生产环境请求处理问题。
- 应用范围广：因为LVS工作在4层，所以它几乎可以对所有应用做负载均衡，包括http、数据库、DNS、ftp服务等等。
- 缺点：工作在4层，不支持7层规则修改，机制过于庞大，不适合小规模应用。
组件和专业术语
组件：
- ipvsadm：用户空间的客户端工具，用于管理集群服务及集群服务上的RS等；
- ipvs：工作于内核上的netfilter INPUT钩子之上的程序，可根据用户定义的集群实现请求转发；
专业术语：
- VS：Virtual Server ，虚拟服务
- Director： Balancer ，也叫DS(Director Server)负载均衡器、分发器
- RS：Real Server ，后端请求处理服务器，真实服务器
- CIP: Client IP ，客户端IP
- VIP：Director Virtual IP ，负载均衡器虚拟IP
- DIP：Director IP ，负载均衡器IP
- RIP：Real Server IP ，后端请求处理的服务器IP
工作模型
VS工作在内核空间，基于内核包处理框架Netfilter实现的一种负责均衡技术，其在工作模式如上图,大致过程：
- 当客户端的请求到达负载均衡器的内核空间时，首先会到达PREROUTING链。
- 当内核发现请求数据包的目的地址是本机时，将数据包送往INPUT链。
- LVS由用户空间的ipvsadm和内核空间的IPVS组成，ipvsadm用来定义规则，IPVS利用ipvsadm定义的规则工作，IPVS工作在INPUT链上,当数据包到达INPUT链时，首先会被IPVS检查，如果数据包里面的目的地址及端口没有在规则里面，那么这条数据包将被放行至用户空间。
- 如果数据包里面的目的地址及端口在规则里面，那么这条数据报文将被修改目的地址为事先定义好的后端服务器，并送往POSTROUTING链。
- 最后经由POSTROUTING链发往后端服务器。
二、负载均衡模式
LVS-NAT模式
简介
NAT模式称为全称Virtualserver via Network address translation(VS/NAT)，是通过网络地址转换的方法来实现调度的。首先调度器(Director)接收到客户的请求数据包时（请求的目的IP为VIP），根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后调度就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）,这样真实服务器（RS）就能够接收到客户的请求数据包了。真实服务器响应完请求后，查看默认路由（NAT模式下我们需要把RS的默认路由设置为DS服务器。）把响应后的数据包发送给DS,DS再接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端。
具体工作流程：
说明：
(1)当用户请求到达DirectorServer，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，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP ，在这个过程完成了目标IP的转换（DNAT）。
(4) POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server。
(5) Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP 。
(6) Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址（SNAT），然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP。
NAT模式优缺点：
- NAT技术将请求的报文和响应的报文都需要通过DS进行地址改写，因此网站访问量比较大的时候DS负载均衡调度器有比较大的瓶颈，一般要求最多之能10-20台节点。
- 节省IP，只需要在DS上配置一个公网IP地址就可以了。
- 每台内部的节点服务器的网关地址必须是调度器LB的内网地址。
- NAT模式支持对IP地址和端口进行转换。即用户请求的端口和真实服务器的端口可以不一致。
地址变化过程：
LVS-DR模式
简介
全称：Virtual Server via Direct Routing(VS-DR)，也叫直接路由模式，用直接路由技术实现虚拟服务器｡当参与集群的计算机和作为控制管理的计算机在同一个网段时可以用此方法,控制管理的计算机接收到请求包时直接送到参与集群的节点｡直接路由模式比较特别，很难说和什么方面相似，前种模式基本上都是工作在网络层上（三层），而直接路由模式则应该是工作在数据链路层上（二层）。
工作原理
DS和RS都使用同一个IP对外服务。但只有DS对ARP请求进行响应，所有RS对本身这个IP的ARP请求保持静默（对ARP请求不做响应），也就是说，网关会把对这个服务IP的请求全部定向给DS，而DS收到数据包后根据调度算法，找出对应的 RS，把目的MAC地址改为RS的MAC并发给这台RS。这时RS收到这个数据包，则等于直接从客户端收到这个数据包无异，处理后直接返回给客户端。由于DS要对二层包头进行改换，所以DS和RS之间必须在一个广播域，也可以简单的理解为在同一台交换机上。
工作流程
说明：
- 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；
- PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链；
- 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；
- 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层，数据链路层来传输。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；
- 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；
- 响应报文最终送达至客户端。
地址变化过程
DR模式特点以及注意事项：
- 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
- 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。修改RS上内核参数（arp_ignore和arp_announce）将RS上的VIP配置在网卡接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。
- RS可以使用私有地址；但也可以使用公网地址，此时可以直接通过互联网连入RS以实现配置、监控等；
- RS的网关一定不能指向DIP；
- 因为DR模式是通过MAC地址改写机制实现转发,RS跟Dirctory要在同一物理网络内（不能由路由器分隔）；
- 请求报文经过Directory，但响应报文一定不经过Director
- 不支持端口映射；
- RS可以使用大多数的操作系统；
- RS上的lo接口配置VIP的IP地址;
LVS- UN模式
介绍
在VS/NAT 的集群系统中，请求和响应的数据报文都需要通过负载调度器，当真实服务器的数目在10台和20台之间时，负载调度器将成为整个集群系统的新瓶颈。大多数 Internet服务都有这样的特点：请求报文较短而响应报文往往包含大量的数据。如果能将请求和响应分开处理，即在负载调度器中只负责调度请求而响应直 接返回给客户，将极大地提高整个集群系统的吞吐量。
IP隧道（IP tunneling）是将一个IP报文封装在另一个IP报文的技术，这可以使得目标为一个IP地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP地址。IP隧道技 术亦称为IP封装技术（IP encapsulation）。IP隧道主要用于移动主机和虚拟私有网络（Virtual Private Network），在其中隧道都是静态建立的，隧道一端有一个IP地址，另一端也有唯一的IP地址。
在TUN模式下，利用IP隧道技术将请求报文封装转发给后端服务器，响应报文能从后端服务器直接返回给客户。但在这里，后端服务器有一组而非一个，所以我们不可能静态地建立一一对应的隧道，而是动态地选择 一台服务器，将请求报文封装和转发给选出的服务器。
工作流程
- 客户端将请求发往前端的负载均衡器，请求报文源地址是CIP，目标地址为VIP。
