全網(wǎng)最詳盡的負載均衡原理圖解
負載均衡由來
在業(yè)務(wù)初期，我們一般會先使用單臺服務(wù)器對外提供服務(wù)。隨著業(yè)務(wù)流量越來越大，單臺服務(wù)器無論如何優(yōu)化，無論采用多好的硬件，總會有性能天花板，當單服務(wù)器的性能無法滿足業(yè)務(wù)需求時，就需要把多臺服務(wù)器組成集群系統(tǒng)提高整體的處理性能。
基于上述需求，我們要使用統(tǒng)一的流量入口來對外提供服務(wù)，本質(zhì)上就是需要一個流量調(diào)度器，通過均衡的算法，將用戶大量的請求流量均衡地分發(fā)到集群中不同的服務(wù)器上。這其實就是我們今天要說的負載均衡。
使用負載均衡可以給我們帶來的幾個好處：
提高了系統(tǒng)的整體性能；
提高了系統(tǒng)的擴展性；
提高了系統(tǒng)的可用性；
負載均衡類型
廣義上的負載均衡器大概可以分為 3 類，包括：DNS 方式實現(xiàn)負載均衡、硬件負載均衡、軟件負載均衡。
（一）DNS 實現(xiàn)負載均衡
DNS 實現(xiàn)負載均衡是最基礎(chǔ)簡單的方式。一個域名通過 DNS 解析到多個 IP，每個 IP 對應(yīng)不同的服務(wù)器實例，這樣就完成了流量的調(diào)度，雖然沒有使用常規(guī)的負載均衡器，但實現(xiàn)了簡單的負載均衡功能。
通過 DNS 實現(xiàn)負載均衡的方式，最大的優(yōu)點就是實現(xiàn)簡單，成本低，無需自己開發(fā)或維護負載均衡設(shè)備，不過存在一些缺點：
服務(wù)器故障切換延遲大，服務(wù)器升級不方便。我們知道 DNS 與用戶之間是層層的緩存，即便是在故障發(fā)生時及時通過 DNS 修改或摘除故障服務(wù)器，但中間經(jīng)過運營商的 DNS 緩存，且緩存很有可能不遵循 TTL 規(guī)則，導(dǎo)致 DNS 生效時間變得非常緩慢，有時候一天后還會有些許的請求流量。
流量調(diào)度不均衡，粒度太粗。DNS 調(diào)度的均衡性，受地區(qū)運營商 LocalDNS 返回 IP 列表的策略有關(guān)系，有的運營商并不會輪詢返回多個不同的 IP 地址。另外，某個運營商 LocalDNS 背后服務(wù)了多少用戶，這也會構(gòu)成流量調(diào)度不均的重要因素。
流量分配策略太簡單，支持的算法太少。DNS 一般只支持
rr的輪詢方式，流量分配策略比較簡單，不支持權(quán)重、Hash 等調(diào)度算法。DNS 支持的 IP 列表有限制。我們知道 DNS 使用 UDP 報文進行信息傳遞，每個 UDP 報文大小受鏈路的 MTU 限制，所以報文中存儲的 IP 地址數(shù)量也是非常有限的，阿里 DNS 系統(tǒng)針對同一個域名支持配置 10 個不同的 IP 地址。
實際上生產(chǎn)環(huán)境中很少使用這種方式來實現(xiàn)負載均衡，畢竟缺點很明顯。文中之所以描述 DNS 負載均衡方式，是為了能夠更清楚地解釋負載均衡的概念。
像 BAT 體量的公司一般會利用 DNS 來實現(xiàn)地理級別的全局負載均衡，實現(xiàn)就近訪問，提高訪問速度，這種方式一般是入口流量的基礎(chǔ)負載均衡，下層會有更專業(yè)的負載均衡設(shè)備實現(xiàn)的負載架構(gòu)。
（二）硬件負載均衡
硬件負載均衡是通過專門的硬件設(shè)備來實現(xiàn)負載均衡功能，是專用的負載均衡設(shè)備。目前業(yè)界典型的硬件負載均衡設(shè)備有兩款：F5 和 A10。
這類設(shè)備性能強勁、功能強大，但價格非常昂貴，一般只有土豪公司才會使用此類設(shè)備，中小公司一般負擔不起，業(yè)務(wù)量沒那么大，用這些設(shè)備也是挺浪費的。
硬件負載均衡的優(yōu)點：
功能強大：全面支持各層級的負載均衡，支持全面的負載均衡算法。
性能強大：性能遠超常見的軟件負載均衡器。
穩(wěn)定性高：商用硬件負載均衡，經(jīng)過了良好的嚴格測試，經(jīng)過大規(guī)模使用，穩(wěn)定性高。
安全防護：還具備防火墻、防 DDoS 攻擊等安全功能，以及支持 SNAT 功能。
硬件負載均衡的缺點也很明顯：
價格貴；
擴展性差，無法進行擴展和定制；
調(diào)試和維護比較麻煩，需要專業(yè)人員；
（三）軟件負載均衡
軟件負載均衡，可以在普通的服務(wù)器上運行負載均衡軟件，實現(xiàn)負載均衡功能。目前常見的有 Nginx、HAproxy、LVS。其中的區(qū)別：
Nginx：七層負載均衡，支持 HTTP、E-mail 協(xié)議，同時也支持 4 層負載均衡；HAproxy：支持七層規(guī)則的，性能也很不錯。OpenStack 默認使用的負載均衡軟件就是 HAproxy；LVS：運行在內(nèi)核態(tài)，性能是軟件負載均衡中最高的，嚴格來說工作在三層，所以更通用一些，適用各種應(yīng)用服務(wù)。
軟件負載均衡的優(yōu)點：
易操作：無論是部署還是維護都相對比較簡單；
便宜：只需要服務(wù)器的成本，軟件是免費的；
靈活：4 層和 7 層負載均衡可以根據(jù)業(yè)務(wù)特點進行選擇，方便進行擴展和定制功能。
負載均衡LVS
軟件負載均衡主要包括：Nginx、HAproxy 和 LVS，三款軟件都比較常用。四層負載均衡基本上都會使用 LVS，據(jù)了解 BAT 等大廠都是 LVS 重度使用者，就是因為 LVS 非常出色的性能，能為公司節(jié)省巨大的成本。
LVS，全稱 Linux Virtual Server 是由國人章文嵩博士發(fā)起的一個開源的項目，在社區(qū)具有很大的熱度，是一個基于四層、具有強大性能的反向代理服務(wù)器。
它現(xiàn)在是標準內(nèi)核的一部分，它具備可靠性、高性能、可擴展性和可操作性的特點，從而以低廉的成本實現(xiàn)最優(yōu)的性能。
Netfilter基礎(chǔ)原理
LVS 是基于 Linux 內(nèi)核中 netfilter 框架實現(xiàn)的負載均衡功能，所以要學(xué)習(xí) LVS 之前必須要先簡單了解 netfilter 基本工作原理。netfilter 其實很復(fù)雜，平時我們說的 Linux 防火墻就是 netfilter，不過我們平時操作的都是 iptables，iptables 只是用戶空間編寫和傳遞規(guī)則的工具而已，真正工作的是 netfilter。通過下圖可以簡單了解下 netfilter 的工作機制：
netfilter 是內(nèi)核態(tài)的 Linux 防火墻機制，作為一個通用、抽象的框架，提供了一整套的 hook 函數(shù)管理機制，提供諸如數(shù)據(jù)包過濾、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、基于協(xié)議類型的連接跟蹤的功能。
通俗點講，就是 netfilter 提供一種機制，可以在數(shù)據(jù)包流經(jīng)過程中，根據(jù)規(guī)則設(shè)置若干個關(guān)卡（hook 函數(shù)）來執(zhí)行相關(guān)的操作。netfilter 總共設(shè)置了 5 個點，包括：PREROUTING、INPUT、FORWARD、OUTPUT、POSTROUTING
PREROUTING：剛剛進入網(wǎng)絡(luò)層，還未進行路由查找的包，通過此處INPUT：通過路由查找，確定發(fā)往本機的包，通過此處FORWARD：經(jīng)路由查找后，要轉(zhuǎn)發(fā)的包，在POST_ROUTING之前OUTPUT：從本機進程剛發(fā)出的包，通過此處POSTROUTING：進入網(wǎng)絡(luò)層已經(jīng)經(jīng)過路由查找，確定轉(zhuǎn)發(fā)，將要離開本設(shè)備的包，通過此處
當一個數(shù)據(jù)包進入網(wǎng)卡，經(jīng)過鏈路層之后進入網(wǎng)絡(luò)層就會到達 PREROUTING，接著根據(jù)目標 IP 地址進行路由查找，如果目標 IP 是本機，數(shù)據(jù)包繼續(xù)傳遞到 INPUT 上，經(jīng)過協(xié)議棧后根據(jù)端口將數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的應(yīng)用程序。
應(yīng)用程序處理請求后將響應(yīng)數(shù)據(jù)包發(fā)送到 OUTPUT 上，最終通過 POSTROUTING 后發(fā)送出網(wǎng)卡。
如果目標 IP 不是本機，而且服務(wù)器開啟了 forward 參數(shù)，就會將數(shù)據(jù)包遞送給 FORWARD 上，最后通過 POSTROUTING 后發(fā)送出網(wǎng)卡。
LVS基礎(chǔ)原理
LVS 是基于 netfilter 框架，主要工作于 INPUT 鏈上，在 INPUT 上注冊 ip_vs_in HOOK 函數(shù)，進行 IPVS 主流程，大概原理如圖所示：
當用戶訪問 www.sina.com.cn 時，用戶數(shù)據(jù)通過層層網(wǎng)絡(luò)，最后通過交換機進入 LVS 服務(wù)器網(wǎng)卡，并進入內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)層。
進入 PREROUTING 后經(jīng)過路由查找，確定訪問的目的 VIP 是本機 IP 地址，所以數(shù)據(jù)包進入到 INPUT 鏈上
LVS 是工作在 INPUT 鏈上，會根據(jù)訪問的
IP:Port判斷請求是否是 LVS 服務(wù)，如果是則進行 LVS 主流程，強行修改數(shù)據(jù)包的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)包發(fā)往 POSTROUTING 鏈上。POSTROUTING 上收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)目標 IP 地址（后端真實服務(wù)器），通過路由選路，將數(shù)據(jù)包最終發(fā)往后端的服務(wù)器上。
開源 LVS 版本有 3 種工作模式，每種模式工作原理都不同，每種模式都有自己的優(yōu)缺點和不同的應(yīng)用場景，包括以下三種模式：
DR模式NAT模式Tunnel模式
這里必須要提另外一種模式是 FullNAT，這個模式在開源版本中是模式?jīng)]有的。這個模式最早起源于百度，后來又在阿里發(fā)揚光大，由阿里團隊開源，代碼地址如下：
https://github.com/alibaba/lvs
LVS 官網(wǎng)也有相關(guān)下載地址，不過并沒有合進到內(nèi)核主線版本。
后面會有專門章節(jié)詳細介紹 FullNAT 模式。下邊分別就 DR、NAT、Tunnel 模式分別詳細介紹原理。
DR 模式實現(xiàn)原理
LVS 基本原理圖中描述的比較簡單，表述的是比較通用流程。下邊會針對 DR 模式的具體實現(xiàn)原理，詳細的闡述 DR 模式是如何工作的。
其實 DR 是最常用的工作模式，因為它的強大的性能。下邊試圖以某個請求和響應(yīng)數(shù)據(jù)流的過程來描述 DR 模式的工作原理
（一）實現(xiàn)原理過程
① 當客戶端請求 www.sina.com.cn 主頁，請求數(shù)據(jù)包穿過網(wǎng)絡(luò)到達 Sina 的 LVS 服務(wù)器網(wǎng)卡：源 IP 是客戶端 IP 地址 CIP，目的 IP 是新浪對外的服務(wù)器 IP 地址，也就是 VIP；此時源 MAC 地址是 CMAC，其實是 LVS 連接的路由器的 MAC 地址（為了容易理解記為 CMAC），目標 MAC 地址是 VIP 對應(yīng)的 MAC，記為 VMAC。
② 數(shù)據(jù)包經(jīng)過鏈路層到達 PREROUTING 位置（剛進入網(wǎng)絡(luò)層），查找路由發(fā)現(xiàn)目的 IP 是 LVS 的 VIP，就會遞送到 INPUT 鏈上，此時數(shù)據(jù)包 MAC、IP、Port 都沒有修改。
③ 數(shù)據(jù)包到達 INPUT 鏈，INPUT 是 LVS 主要工作的位置。此時 LVS 會根據(jù)目的 IP 和 Port 來確認是否是 LVS 定義的服務(wù)，如果是定義過的 VIP 服務(wù)，就會根據(jù)配置信息，從真實服務(wù)器列表 中選擇一個作為 RS1，然后以 RS1 作為目標查找 Out 方向的路由，確定一下跳信息以及數(shù)據(jù)包要通過哪個網(wǎng)卡發(fā)出。最后將數(shù)據(jù)包投遞到 OUTPUT 鏈上。
④ 數(shù)據(jù)包通過 POSTROUTING 鏈后，從網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)到鏈路層，將目的 MAC 地址修改為 RealServer 服務(wù)器 MAC 地址，記為 RMAC；而源 MAC 地址修改為 LVS 與 RS 同網(wǎng)段的 selfIP 對應(yīng)的 MAC 地址，記為 DMAC。此時，數(shù)據(jù)包通過交換機轉(zhuǎn)發(fā)給了 RealServer 服務(wù)器（注：為了簡單圖中沒有畫交換機）。
⑤ 請求數(shù)據(jù)包到達后端真實服務(wù)器后，鏈路層檢查目的 MAC 是自己網(wǎng)卡地址。到了網(wǎng)絡(luò)層，查找路由，目的 IP 是 VIP（lo 上配置了 VIP），判定是本地主機的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過協(xié)議棧拷貝至應(yīng)用程序（比如 nginx 服務(wù)器），nginx 響應(yīng)請求后，產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)包。
然后以 CIP 查找出方向的路由，確定下一跳信息和發(fā)送網(wǎng)卡設(shè)備信息。此時數(shù)據(jù)包源、目的 IP 分別是 VIP、CIP，而源 MAC 地址是 RS1 的 RMAC，目的 MAC 是下一跳（路由器）的 MAC 地址，記為 CMAC（為了容易理解，記為 CMAC）。然后數(shù)據(jù)包通過 RS 相連的路由器轉(zhuǎn)發(fā)給真正客戶端，完成了請求響應(yīng)的全過程。
從整個過程可以看出，DR 模式 LVS 邏輯比較簡單，數(shù)據(jù)包通過直接路由方式轉(zhuǎn)發(fā)給后端服務(wù)器，而且響應(yīng)數(shù)據(jù)包是由 RS 服務(wù)器直接發(fā)送給客戶端，不經(jīng)過 LVS。
我們知道通常請求數(shù)據(jù)包會比較小，響應(yīng)報文較大，經(jīng)過 LVS 的數(shù)據(jù)包基本上都是小包，所以這也是 LVS 的 DR 模式性能強大的主要原因。
（二）優(yōu)缺點和使用場景
DR 模式的優(yōu)點
響應(yīng)數(shù)據(jù)不經(jīng)過 lvs，性能高
對數(shù)據(jù)包修改小，信息保存完整（攜帶客戶端源 IP）
DR 模式的缺點
lvs 與 rs 必須在同一個物理網(wǎng)絡(luò)（不支持跨機房）
服務(wù)器上必須配置 lo 和其它內(nèi)核參數(shù)
不支持端口映射
DR 模式的使用場景
如果對性能要求非常高，可以首選 DR 模式，而且可以透傳客戶端源 IP 地址。
NAT 模式實現(xiàn)原理
lvs 的第 2 種工作模式是 NAT 模式，下圖詳細介紹了數(shù)據(jù)包從客戶端進入 lvs 后轉(zhuǎn)發(fā)到 rs，后經(jīng) rs 再次將響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給 lvs，由 lvs 將數(shù)據(jù)包回復(fù)給客戶端的整個過程。
（一）實現(xiàn)原理與過程
①?用戶請求數(shù)據(jù)包經(jīng)過層層網(wǎng)絡(luò)，到達 lvs 網(wǎng)卡，此時數(shù)據(jù)包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 VIP。
② 經(jīng)過網(wǎng)卡進入網(wǎng)絡(luò)層 prerouting 位置，根據(jù)目的 IP 查找路由，確認是本機 IP，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 INPUT 上，此時源、目的 IP 都未發(fā)生變化。
③?到達 lvs 后，通過目的 IP 和目的 port 查找是否為 IPVS 服務(wù)。若是 IPVS 服務(wù)，則會選擇一個 RS 作為后端服務(wù)器，將數(shù)據(jù)包目的 IP 修改為 RIP，并以 RIP 為目的 IP 查找路由信息，確定下一跳和出口信息，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至 output 上。
④?修改后的數(shù)據(jù)包經(jīng)過 postrouting 和鏈路層處理后，到達 RS 服務(wù)器，此時的數(shù)據(jù)包源 IP 是 CIP，目的 IP 是 RIP。
⑤?到達 RS 服務(wù)器的數(shù)據(jù)包經(jīng)過鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層檢查后，被送往用戶空間 nginx 程序。nginx 程序處理完畢，發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包，由于 RS 上默認網(wǎng)關(guān)配置為 lvs 設(shè)備 IP，所以 nginx 服務(wù)器會將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳，也就是 lvs 服務(wù)器。此時數(shù)據(jù)包源 IP 是 RIP，目的 IP 是 CIP。
⑥?lvs 服務(wù)器收到 RS 響應(yīng)數(shù)據(jù)包后，根據(jù)路由查找，發(fā)現(xiàn)目的 IP 不是本機 IP，且 lvs 服務(wù)器開啟了轉(zhuǎn)發(fā)模式，所以將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給 forward 鏈，此時數(shù)據(jù)包未作修改。
⑦?lvs 收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包后，根據(jù)目的 IP 和目的 port 查找服務(wù)和連接表，將源 IP 改為 VIP，通過路由查找，確定下一跳和出口信息，將數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)到達用戶客戶端，最終完成了一次請求和響應(yīng)的交互。
NAT 模式雙向流量都經(jīng)過 LVS，因此 NAT 模式性能會存在一定的瓶頸。不過與其它模式區(qū)別的是，NAT 支持端口映射，且支持 windows 操作系統(tǒng)。
（二）優(yōu)點、缺點與使用場景
NAT 模式優(yōu)點
能夠支持 windows 操作系統(tǒng)
支持端口映射。如果 rs 端口與 vport 不一致，lvs 除了修改目的 IP，也會修改 dport 以支持端口映射。
NAT 模式缺點
后端 RS 需要配置網(wǎng)關(guān)
雙向流量對 lvs 負載壓力比較大
NAT 模式的使用場景
如果你是 windows 系統(tǒng)，使用 lvs 的話，則必須選擇 NAT 模式了。
Tunnel 模式實現(xiàn)原理
Tunnel 模式在國內(nèi)使用的比較少，不過據(jù)說騰訊使用了大量的 Tunnel 模式。它也是一種單臂的模式，只有請求數(shù)據(jù)會經(jīng)過 lvs，響應(yīng)數(shù)據(jù)直接從后端服務(wù)器發(fā)送給客戶端，性能也很強大，同時支持跨機房。下邊繼續(xù)看圖分析原理。
（一）實現(xiàn)原理與過程
①?用戶請求數(shù)據(jù)包經(jīng)過多層網(wǎng)絡(luò)，到達 lvs 網(wǎng)卡，此時數(shù)據(jù)包源 IP 是 cip，目的 ip 是 vip。
②?經(jīng)過網(wǎng)卡進入網(wǎng)絡(luò)層 prerouting 位置，根據(jù)目的 ip 查找路由，確認是本機 ip，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 input 鏈上，到達 lvs，此時源、目的 ip 都未發(fā)生變化。
③?到達 lvs 后，通過目的 ip 和目的 port 查找是否為 IPVS 服務(wù)。若是 IPVS 服務(wù)，則會選擇一個 rs 作為后端服務(wù)器，以 rip 為目的 ip 查找路由信息，確定下一跳、dev 等信息，然后 IP 頭部前邊額外增加了一個 IP 頭（以 dip 為源，rip 為目的 ip），將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至 output 上。
④?數(shù)據(jù)包根據(jù)路由信息經(jīng)最終經(jīng)過 lvs 網(wǎng)卡，發(fā)送至路由器網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)絡(luò)到達后端服務(wù)器。
⑤?后端服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包后，ipip 模塊將 Tunnel 頭部卸載，正常看到的源 ip 是 cip，目的 ip 是 vip，由于在 tunl0 上配置 vip，路由查找后判定為本機 ip，送往應(yīng)用程序。應(yīng)用程序 nginx 正常響應(yīng)數(shù)據(jù)后以 vip 為源 ip，cip 為目的 ip 數(shù)據(jù)包發(fā)送出網(wǎng)卡，最終到達客戶端。
Tunnel 模式具備 DR 模式的高性能，又支持跨機房訪問，聽起來比較完美。不過國內(nèi)運營商有一定特色性，比如 RS 的響應(yīng)數(shù)據(jù)包的源 IP 為 VIP，VIP 與后端服務(wù)器有可能存在跨運營商的情況，很有可能被運營商的策略封掉，Tunnel 在生產(chǎn)環(huán)境確實沒有使用過，在國內(nèi)推行 Tunnel 可能會有一定的難度吧。
（二）優(yōu)點、缺點與使用場景
Tunnel 模式的優(yōu)點
單臂模式，對 lvs 負載壓力小
對數(shù)據(jù)包修改較小，信息保存完整
可跨機房（不過在國內(nèi)實現(xiàn)有難度）
Tunnel 模式的缺點
需要在后端服務(wù)器安裝配置 ipip 模塊
需要在后端服務(wù)器 tunl0 配置 vip
隧道頭部的加入可能導(dǎo)致分片，影響服務(wù)器性能
隧道頭部 IP 地址固定，后端服務(wù)器網(wǎng)卡 hash 可能不均
不支持端口映射
Tunnel 模式的使用場景
理論上，如果對轉(zhuǎn)發(fā)性能要求較高，且有跨機房需求，Tunnel 可能是較好的選擇。
到此為止，已經(jīng)將 LVS 原理講清楚了，內(nèi)容比較多，建議多看兩遍，由于文章篇幅太長，實踐操作的內(nèi)容就放到下篇文章再來講好了。
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