LVS/DR工作模式介绍及配置

1.1 LVS/DR模式介绍

  • 双地址配置：所有真实服务器（RS）都需要配置两个IP地址：一个是真实服务器的IP地址（RIP），另一个是虚拟服务器的IP地址（VIP），后者与LVS上的VIP一致。

  • 二层网络要求：LVS必须与所有RS处于同一二层广播域内，这样LVS才能通过ARP协议获取到RS的IP地址和对应的MAC地址。

  • 请求转发：当用户发送请求到LVS时，LVS在转发请求到选定的RS时，保持请求报文的源和目的IP地址及端口号不变。LVS更改报文的源MAC地址为自己的MAC地址，目的MAC地址更改为RS的MAC地址。

  • MAC地址修改：LVS在DR模式下将请求报文的源MAC地址替换为自身的MAC地址，目的MAC地址替换为选定RS的MAC地址。

  • IP地址保持不变：在转发过程中，请求报文的源IP地址和目的IP地址以及端口号都保持原始客户端的值不变。

  • 响应直接返回：RS处理请求后，响应报文直接发送回客户端，不经过LVS，减轻了LVS的负荷。

  • VIP配置一致性：RS上配置的VIP需与LVS的VIP一致，以确保请求能够正确地分发到RS。

  • ARP广播禁用：为避免IP地址冲突，RS上的VIP地址相关网卡需关闭ARP广播和应答功能。

  • VIP配置位置：VIP通常配置在回环口上，这样做可以提高配置的灵活性并避免地址冲突。

  • 同一网段要求：LVS的DIP和RS的RIP需在同一网段内，这是DR模式的一个限制。

  • 端口号不支持修改：在DR模式中，LVS不支持修改请求报文的目的端口号。

  • 部署限制：由于DIP和RIP必须在同一网段，DR模式不适合用于大规模或远距离部署，限制了其在大型分布式系统中的应用。

1.2 LVS/DR模式与NAT模式对比

特性/方面LVS/DR模式LVS/NAT模式
工作原理修改数据包的MAC地址，不改变IP地址修改数据包的目的IP地址和MAC地址
请求处理请求报文经过LVS，响应报文直接从RS返回给客户端请求和响应报文都需要经过LVS
网络要求LVS和RS必须在同一物理网络LVS作为RS的网关，通常在同一网络
VIP配置RS上的VIP配置在lo接口的别名上VIP作为整个群集的外部IP地址
端口要求RS和LVS的VIP提供服务的端口必须一致支持端口映射，VIP端口可以与RS端口不同
性能效率高性能，响应快速，因为响应不经过LVS相对较低，因为所有流量都需经过LVS，可能成为瓶颈
适用场景大型、高负载且对性能要求极高的场景中小型应用，配置相对简单
扩展性由于网络限制，不适合大规模或远距离部署伸缩能力有限，但可以跨网络部署
安全性较高，因为响应流量不经过LVS由于流量均需经过LVS，可能面临更大的安全风险
地址冲突需要注意ARP广播和应答的配置以避免冲突无特殊地址冲突问题
RS的网关设置RS的网关不能指向DIPRS的网关必须指向LVS的DIP

1.3 LVS/DR模式ARP抑制

  • LVS-DR模式中，ARP抑制是一个重要的配置步骤，其目的是保证网络流量正确地通过LVS调度器进行分发，同时避免因ARP广播导致网络混乱。

1.3.1 原因：

  1. 避免ARP广播导致混乱：在LVS-DR模式下，LVS调度器（Director Server）和真实服务器（Real Server, RS）都配置有相同的虚拟IP地址（VIP）。如果不进行ARP抑制，当ARP请求到达时，所有配置了该VIP的服务器都可能响应，导致网络中充斥着大量错误的MAC地址信息，从而使得流量不能正确地通过LVS进行负载均衡。

  2. 确保流量正确分发：ARP抑制确保只有LVS调度器响应ARP请求，RS不响应，这样客户端的请求将被LVS调度器接收，并根据配置的规则分发到不同的RS。

1.3.2 修改内核参数做ARP抑制

  • 在 Linux 系统中，可以通过以下两个参数来配置 ARP 抑制：

    • net.ipv4.conf.< interface >.arp_ignore = 1: 这个参数告诉内核在处理 ARP 请求时忽略 ARP 响应。当设为 1 时，内核会忽略所有的 ARP 响应，除非请求的目标 IP 地址在本地子网中。

    • net.ipv4.conf.< interface >.arp_announce = 2: 这个参数定义了在网络接口上发送的 ARP 请求包中的源 IP 地址。当设为 2 时，内核会始终使用与目标 IP 地址最匹配的本地 IP 地址作为源 IP 地址进行 ARP 请求。这样可以防止 ARP 请求被发送到不应该接收这些请求的主机。

  • 配置方法：

    • 要使这些设置在系统重启后依然有效，需要将它们添加到/etc/sysctl.conf文件中。对于所有网络接口，可以设置all作为

      <interface>的值：

      net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

    • 应用这些更改，执行命令：

      [root@rs1 ~]# sysctl -p

  • 临时修改：

    • 如果需要临时修改（不重启系统），可以直接通过/proc文件系统进行设置，例如在每台RS上执行：

      [root@LVS-RS1 ~]# echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
[root@LVS-RS1 ~]# echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
[root@LVS-RS1 ~]# echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
[root@LVS-RS1 ~]# echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

  • ARP响应模式定义：

    • 0（默认值）：回应任何网络接口上对任何本地IP地址的ARP请求。

    • 1：只回应目标IP地址是来访网络接口本地地址的ARP请求。

    • 2：同1，但源IP也必须在该网络接口的子网段内。

    • 3：不回应该网络接口的ARP请求，只对唯一和连接地址回应。

    • 4-7：保留未使用。

    • 8：不回应所有本地地址的ARP请求。

1.4 LVS/DR模式基本配置

1.4.1 配置环境说明

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
Client192.168.110.34255.255.255.0客户端

以及，VIP的配置：

VIP名称IP地址子网掩码配置位置
VIP192.168.110.10255.255.255.255LVS和RS的lo:0接口

  • VIP地址通常配置在LVS和RS的回环接口（lo接口）上，并且使用特殊的ARP抑制设置以避免ARP冲突。在实际部署时，VIP的子网掩码通常是32位的，表示该VIP地址独占一个网络段。同时，确保所有设备都在同一个子网中，这样才能保证网络通信的正确性。

  • 在配置LVS时，需要将VIP地址添加到LVS的回环接口上，并且可能需要配置路由规则以确保流量能够正确地分发到RS1和RS2。同样，RS1和RS2也需要配置VIP，并且进行相应的ARP抑制设置。客户端将使用VIP地址作为目标来测试负载均衡器的性能和功能。

1.4.2 后端RS配置

1.4.2.1 RS1配置
1、配置默认主页
[root@LVS-RS1 ~]# rm -f /usr/share/nginx/html/*
[root@LVS-RS1 ~]# echo "This is LVS test IP=`hostname -I` Host=`hostname`" > /usr/share/nginx/html/index.html
[root@LVS-RS1 ~]# curl 192.168.110.32
This is LVS test IP=192.168.110.32  Host=LVS-RS1
2、回环接口配置VIP
[root@LVS-RS1 ~]# ifconfig lo:20 192.168.110.10 netmask 255.255.255.255
[root@LVS-RS1 ~]# ifconfig -a lo:20
lo:20: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 192.168.110.10  netmask 255.255.255.255
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
3、修改 ARP 内核配置做ARP抑制
[root@LVS-RS1 ~]# cat >> /etc/sysctl.conf << EOF
> net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
> net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
> EOF
[root@LVS-RS1 ~]# sysctl -p   #生效
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
1.4.2.2 RS2配置
1、配置默认主页
[root@LVS-RS2 ~]# rm -f /usr/share/nginx/html/*
[root@LVS-RS2 ~]# echo "This is LVS test IP=`hostname -I` Host=`hostname`" > /usr/share/nginx/html/index.html
[root@LVS-RS2 ~]# curl 192.168.110.33
This is LVS test IP=192.168.110.33  Host=LVS-RS2
2、回环接口配置VIP
[root@LVS-RS2 ~]# ifconfig lo:20 192.168.110.10 netmask 255.255.255.255
[root@LVS-RS2 ~]# ifconfig -a lo:20
lo:20: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 192.168.110.10  netmask 255.255.255.255
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
3、使用arptables实现ARP抑制（方法二，也可以用RS1的修改内核参数）
[root@LVS-RS2 ~]# yum install arptables -y   #安装ARP防火墙
[root@LVS-RS2 ~]# arptables -F   #清空所有的ARP表规则
[root@LVS-RS2 ~]# arptables -A INPUT -d 192.168.110.10 -j DROP  #丢弃所有目的IP地址为192.168.110.10的ARP包
[root@LVS-RS2 ~]# arptables -A OUTPUT -s 192.168.110.10 -j mangle --mangle-ip-s 192.168.110.33   #修改所有源IP地址为192.168.110.10的ARP包，将源IP地址伪装（mangle）为192.168.110.33
[root@LVS-RS2 ~]# arptables -L -n   #列出了当前的ARP表规则
Chain INPUT (policy ACCEPT)
-j DROP -d 192.168.110.10
​
Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
-j mangle -s 192.168.110.10 --mangle-ip-s 192.168.110.33
[root@LVS-RS2 ~]# arptables-save > /etc/sysconfig/arptables   #保存到文件

1.4.3 LVS配置

1.4.3.1 安装部署
[root@LVS ~]# yum install ipvsadm -y
1.4.3.2 网卡配置VIP
[root@LVS ~]# ifconfig ens160:20 192.168.110.10 netmask 255.255.255.255
[root@LVS ~]# ifconfig -a ens160:20
ens160:20: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.110.10  netmask 255.255.255.255  broadcast 192.168.110.255
        ether 00:0c:29:d1:a9:eb  txqueuelen 1000  (Ethernet)
1.4.3.3 配置LVS负载均衡功能
[root@LVS ~]# ipvsadm -A -t 192.168.110.10:80 -s rr  #虚拟VIP为192.168.110.10，算法为轮询
[root@LVS ~]# ipvsadm -a -t 192.168.110.10:80 -r 192.168.110.32  #将主机RS1添加到虚拟服务中
[root@LVS ~]# ipvsadm -a -t 192.168.110.10:80 -r 192.168.110.33  #将主机RS2添加到虚拟服务中
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln   #列出当前的虚拟服务器表
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.110.10:80 rr
  -> 192.168.110.32:80            Route   1      0          0         
  -> 192.168.110.33:80            Route   1      0          0        

1.4.4 客户端访问测试

[root@Client ~]# for ((i=1;i<=10;i++)); do curl http://192.168.110.10; 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
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

1.4.5 ipvsadm命令介绍

1.4.5.1 参数详解

  • ipvsadm 是一个强大的命令行工具，用于配置和管理 Linux 内核中的 IPVS (IP Virtual Server) 功能。IPVS 提供了负载均衡和高可用性的特性，可以在 Linux 系统中实现高效的网络流量分发。

参数描述
-A添加一个虚拟服务。
-a添加一个真实服务器到现有的虚拟服务。
-s指定调度算法（如 rr, wrr, lc, wlc, sh, dh 等）。
-d删除真实服务器。
-t指定虚拟服务的地址和端口（格式为 IP:PORT）。
-r指定真实服务器的地址（格式为 IP:PORT）。
-n使用数字格式输出地址和端口。
-m设置真实服务器的转发模式（NAT, DR, TUN）。
-L输出完整的服务器信息。
-w为节点服务器设置权重（默认为1）。
-C清除虚拟服务器表中的所有记录。
-M指定持久性掩码。
-D删除虚拟服务。
-S保存规则到 stdout，可配合 -n 参数使用。
-E编辑一个虚拟服务。
-e编辑一个真实服务器。
-R从 stdin 恢复规则。
-l输出简化的服务器信息，可指定虚拟服务。
-Z清零服务器计数器，可指定虚拟服务。
--set设置连接超时值，如 tcp tcpfin udp。
--start-daemon启动连接同步守护进程，指定守护进程类型和选项。
--stop-daemon停止连接同步守护进程，指定守护进程类型。
1.4.5.2 示例
[root@LVS ~]# ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm  #将规则保存到文件
[root@LVS ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm
-A -t 192.168.110.10:80 -s rr
-a -t 192.168.110.10:80 -r 192.168.110.32:80 -g -w 1
-a -t 192.168.110.10:80 -r 192.168.110.33:80 -g -w 1
​
[root@LVS ~]# ipvsadm -C   #清除虚拟服务器表中的所有记录
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
​
[root@LVS ~]# ipvsadm -R < /etc/sysconfig/ipvsadm  #从文件中导入
[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  192.168.110.10:80 rr
  -> 192.168.110.32:80           Route   1      0          0         
  -> 192.168.110.33:80           Route   1      0          0       
​
[root@LVS ~]# ipvsadm -d -t 192.168.110.10:80 -r 192.168.110.32  #删除一台RS
[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  192.168.110.10:80 rr
  -> 192.168.110.33:80           Route   1      0          0
​
[root@LVS ~]# ipvsadm -at 192.168.110.10:80 -r 192.168.110.32  #添加一台RS
[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  192.168.110.10:80 rr
  -> 192.168.110.32:80           Route   1      0          0         
  -> 192.168.110.33:80           Route   1      0          0      
​
​
[root@LVS ~]# ipvsadm -D -t 192.168.110.10:80  #删除虚拟服务（其下面的服务也会被删除） 注意：这里不用-s写调度算法
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

1.5 LVS/DR配置服务脚本

1.5.1 LVS/DR服务脚本

[root@LVS ~]# vim /etc/init.d/LVS_DR
#!/bin/bash
​
# Startup script to handle the initialisation of LVS in Direct Routing mode.
​
# chkconfig: - 28 72
# description: Initialise the Linux Virtual Server for DR mode.
# 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=192.168.110.10
RIP1=192.168.110.32
RIP2=192.168.110.33
DipName=ens160
​
. /etc/rc.d/init.d/functions
​
start() {
    if [ -e $LOCK ]; then
        echo "The LVS-DR Server is already running!"
        return 1
    fi
​
    /sbin/ifconfig ${DipName}:20 $VIP broadcast $VIP netmask 255.255.255.255 up
    /sbin/route add -host $VIP dev ${DipName}:20
    /sbin/ipvsadm -C
    /sbin/ipvsadm -A -t $VIP:80 -s rr
    /sbin/ipvsadm -a -t $VIP:80 -r $RIP1:80 -g
    /sbin/ipvsadm -a -t $VIP:80 -r $RIP2:80 -g
    touch $LOCK
    echo "Starting LVS-DR Server is OK!"
}
​
stop() {
    if [ ! -e $LOCK ]; then
        echo "The LVS-DR Server is not running!"
        return 1
    fi
​
    /sbin/ipvsadm -C
    /sbin/route del -host $VIP dev ${DipName}:20
    /sbin/ifconfig ${DipName}:20 down >/dev/null
    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: $0 {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   #启动正常
[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  192.168.110.10:80 rr
  -> 192.168.110.32:80            Route   1      0          0         
  -> 192.168.110.33:80            Route   1      0          0         
[root@LVS ~]# systemctl stop LVS_DR.service  #停止正常
[root@LVS ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn

1.5.2 RS服务脚本

[root@RS1 ~]# vim /etc/sysctl.conf   #首先把之前配置的这两行删掉
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
[root@RS1 ~]# sysctl -p  #生效
[root@RS1 ~]# ifconfig lo:20 down  #关闭之前配置的回环接口
[root@RS1 ~]# ifconfig -a lo:20
lo:20: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
注意：RS2上就直接清空ARP防火墙的规则
​

[root@LVS-RS1 ~]# vim /etc/init.d/LVS_RS
#!/bin/bash
​
# Startup script to handle the initialisation of LVS in Direct Routing mode.
​
# chkconfig: - 28 72
# description: Initialise the Linux Virtual Server for DR mode.
# 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=192.168.110.10
​
. /etc/rc.d/init.d/functions
​
start() {
    # Check if VIP is already configured on lo:20
    if ifconfig | grep -q "lo:20:.*inet ${VIP}"; then
        echo "The LVS-DR-RIP Server is already running!"
    else
        # Configure the VIP on loopback interface
        /sbin/ifconfig lo:20 $VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $VIP up
        /sbin/route add -host $VIP dev lo:20
        
        # Set up ARP ignore and announce to prevent ARP broadcast
        echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
        echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
        for i in /proc/sys/net/ipv4/conf/*; do
            echo "1" > $i/arp_ignore
            echo "2" > $i/arp_announce
        done
        
        # Create a lock file
        touch $LOCK
        echo "Starting LVS-DR-RIP server is OK!"
    fi
}
​
stop() {
    # Remove the VIP from loopback interface
    /sbin/route del -host $VIP dev lo:20
    /sbin/ifconfig lo:20 down >/dev/null
    
    # Reset ARP ignore and announce to default
    for i in /proc/sys/net/ipv4/conf/*; do
        echo "0" > $i/arp_ignore
        echo "0" > $i/arp_announce
    done
    
    # Remove the lock file
    rm -f $LOCK
    echo "Stopping LVS-DR-RIP server is OK!"
}
​
status() {
    if [ -e $LOCK ]; then
        echo "The LVS-DR-RIP Server is already running!"
    else
        echo "The LVS-DR-RIP 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-RS1 ~]# chmod +x /etc/init.d/LVS_RS 
[root@LVS-RS1 ~]# chkconfig --add LVS_RS 
[root@LVS-RS1 ~]# systemctl start LVS_RS.service 
[root@LVS-RS1 ~]# ifconfig -a lo:20
lo:20: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 192.168.110.10  netmask 255.255.255.255
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)

注意：RS2同样的脚本同样的操作

1.5.3 客户端测试

[root@Client ~]# for ((i=1;i<=10;i++)); do curl http://192.168.110.10; 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
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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