二层负载均衡LVS DR模式

LVS DR模式通过修改数据包中的源MAC地址改为LVS所在的IP的MAC地址，将目的MAC地址修改为真实IP的MAC地址，由于这个过程只经过内核，不通过用户空间，所以这个模式的负载均衡效率很高。

0x00 原理

• 术语：

名称	缩写	说明
Client IP	CIP	客户端IP地址
Virtual IP Address	VIP	客户请求服务的IP地址
Director Server	DS	负载均衡节点
Director Server IP	DIP	负载均衡节点IP
Real Server	RS	后端工作节点
Real Server IP	RIP	后端工作节点IP

• 原理图

1. 客户端通过VIP访问到负载均衡器，到达内核空间。
2. PREROUTING 链接收到客户端请求判断客户端的目的IP是否为本机IP（VIP），确定后将数据包转发到INPUT链。
3. 在INPUT链中，通过ipvsadm 模块会拦截这些流量，并根据调度算法决定转发到哪个后端 Real Server，修改数据包中的源MAC地址改为LVS所在的IP的MAC地址，将目的MAC地址修改为真实IP的MAC地址。后将数据包发到POSTROUTING链。
4. POSTROUTING链接收数据包后判断目标地址是否存在后端服务器中，将数据包转发给后端服务器。

0x01 部署步骤

环境

• 4台服务器（Ubuntu 22.04.3）在同一局域网内
• 1台作为LoadBlancer
• 3台作为后端的业务服务器（Worker1-3）
  • LVS : 192.168.50.126
  • Worker1: 192.168.50.119
  • Worker2: 192.168.50.116
  • Worker3: 192.168.50.48
  • Client: 192.168.50.128

LVS上的操作

• VIP 需要和RealServer IP在同一VLAN内

• 在主网卡上绑定一个VIP

  ip addr add 192.168.50.201/24 dev eth0

• 配置IPVS规则

  # 清空现有规则（可选）
  ipvsadm -C
  
  # 添加 VIP 和负载均衡算法（例如轮询）
  sudo ipvsadm -A -t 192.168.50.201:80 -s rr
  
  # 添加后端服务器(临时添加，永久保存执行ipvsadm save)
  sudo ipvsadm -a -t 192.168.50.201:80 -r 192.168.50.48:80 -g
  sudo ipvsadm -a -t 192.168.50.201:80 -r 192.168.50.116:80 -g
  sudo ipvsadm -a -t 192.168.50.201:80 -r 192.168.50.119:80 -g
  
  # 开启IP转发（临时修改，永久修改在/etc/sysctl.conf中修改）
  sudo echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

RS上的操作

# 给RS的lo网卡绑定VIP
ip addr add 192.168.50.201/24 dev lo 
sudo nano /etc/sysctl.conf
添加以下内容（临时修改，永久修改在/etc/sysctl.conf中修改），防止ARP冲突

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

LVS-DR 常见的负载均衡算法

• 轮询（Round Robin，RR）算法：
  将请求依次分配给不同的后端服务器，保证每个服务器都能够分担相同的负载。
  特点：简单、易于实现，适用于后端服务器性能相近的情况。
• 加权轮询（Weighted Round Robin，WRR）算法：
  根据预设的权重值，按照比例分配请求。权重高的服务器将获得更多的请求。
  特点：可以根据服务器的处理能力进行灵活配置，实现负载均衡。
• 最少连接（Least Connections，LC）算法：
  将请求分配给当前活动连接数最少的服务器。
  特点：适用于连接数较多的场景，可以有效地平衡负载。
• 加权最少连接（Weighted Least Connections，WLC）算法：
  将 LC 算法与 WRR 算法结合，根据服务器的权重值和当前活动连接数来分配请求。
  特点：综合考虑了服务器的处理能力和当前负载情况。
• 基于局部性（Locality-Based）算法：
  试图将来自同一客户端的请求始终分发到同一台服务器上，以提高缓存命中率。
  特点：适用于有状态的应用，可以提高性能。
• 带复制（Replication）算法：
  将每个请求同时发送给多台服务器，然后根据第一台返回结果的服务器来响应客户端。
  特点：提高了系统的可用性，但增加了网络负载。

0x02 测试

• 在客户端多次执行curl http://192.168.50.201 ，使用轮询算法一次访问后端服务器

root@k8s:~$ curl http://192.168.50.201/
Worker1 
root@k8s:~$ curl http://192.168.50.201/
Worker2
root@k8s:~$ curl http://192.168.50.201/
Worker3

• 通过日志查看来源IP是客户端IP，可见只修改了MAC地址
• 在业务环境中这种负载均衡方式是后端直接返回数据给客户端，所以需要后端服务器拥有公网，

0x03 思考

• LVS 与 RS已经在一个局域网为什么不能直接使用LVS的真实IP作为入口。

  • VIP是为了给数据一个入口然后对数据包进行处理，如果使用真实IP的话，用户数据与其他数据无法区分，所以VIP就是给用户访问的单独的入口。

• 为什么需要在RS的lo上绑定VIP

  • DR模式只会修改数据包的源MAC地址和目的MAC地址，所以经过LVS转发后的数据包目的地址依然是VIP，所以要在RS上绑定VIP让数据包可以到达RS。

• RS的VIP可以绑定在其他网卡上吗

  • 理论可以，但是可能会造成ARP冲突，VIP绑定在lo上，lo不会对外进行广播持有VIP，不会造成冲突。