LVS（Linux Virtual Server）全面解析与实验手册：集群概念、工作模式与调度算法

摘要

本文深入解析 LVS（Linux Virtual Server）负载均衡技术，涵盖集群核心概念、三大分类、四种工作模式（NAT、DR、TUN、FULLNAT）及十三种调度算法。通过详细的实验手册，手把手指导多端口轮询（FWM）和会话粘滞（Redis+持久连接）的配置。每条命令均附带详细注释，可直接复制执行，助您从理论到实践全面掌握 LVS。

一、什么是集群（Cluster）

集群（Cluster）是一组相互独立的计算机（节点），通过高速网络互联，对外表现为一个单一系统，共同对外提供服务。其核心思想是将多台计算机组合起来，以较低的成本获得与大型主机相当的性能和可用性。

1.1 核心概念

• Scale Up（纵向扩展）：提升单台服务器的硬件配置（CPU、内存、磁盘），成本高、有上限，存在单点故障（SPOF）。
• Scale Out（横向扩展）：增加服务器数量，通过集群技术协同工作，成本低、弹性好，是高并发场景的标准做法。
• 集群的关键在于“协同”：多台机器不是简单堆叠，而是通过调度器和统一入口对外提供透明服务。

1.2 集群核心特征

1.3 集群架构示意

客户端请求 (CIP → VIP) │ ┌──────▼──────┐ │ 负载均衡器 │ ← Director / Load Balancer │ (LVS) │ 对外暴露 VIP，对内分发请求 └──────┬──────┘ ┌───────┼───────┐ ┌──▼──┐ ┌──▼──┐ ┌──▼──┐ │RS 1 │ │RS 2 │ │RS 3 │ ← Real Server（真实服务器） │Web │ │Web │ │Web │ 处理实际业务请求 └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └───────┼───────┘ ┌──────▼──────┐ │ 共享存储 │ ← NFS / Ceph / GlusterFS / FastDFS └─────────────┘ 保障数据一致性

二、集群分类

集群按功能目标分为三大类，实际生产环境中通常混合使用。

2.1 负载均衡集群（LB — Load Balancing）

2.2 高可用集群（HA — High Availability）

2.3 高性能计算集群（HPC — High Performance Computing）

2.4 三类集群对比

LB (负载均衡) HA (高可用) HPC (高性能) ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ 分发用户请求 │ │ 主备故障切换 │ │ 并行拆分计算 │ │ 横向扩展容量 │ │ 服务永不中断 │ │ 聚合算力求解 │ │ 对外一个入口 │ │ VIP 自动漂移 │ │ 任务调度分发 │ │ LVS/Nginx │ │ Keepalived │ │ MPI/Spark │ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘

★ 生产环境标准组合：LVS（四层LB）+ Keepalived（HA，VIP高可用）+ Nginx（七层代理）+ Redis（Session共享）。

三、LVS 的作用

LVS（Linux Virtual Server）是章文嵩博士于 1998 年开发的开源负载均衡项目，已从 Linux 2.4 内核开始集成到内核空间。官网：http://www.linuxvirtualserver.org/。

3.1 LVS 核心术语

3.2 LVS 数据流模型

数据包流转路径：

CIP (客户端IP) <──请求──> VIP (虚拟IP) ==调度== DIP (调度器内网IP) <──转发──> RIP (真实服务器IP)

通俗理解：

• 用户只知道 VIP，也只访问 VIP。
• VIP 像公司的总机号码，DIP/RIP 像内部员工的分机号。
• LVS 的工作就是：接到总机来电后，根据策略转给合适的分机。

3.3 LVS 核心定位

3.4 LVS 在 Netfilter 框架中的位置

数据包进入后经过 Netfilter 的 5 个钩子点：

PREROUTING → INPUT → FORWARD → OUTPUT → POSTROUTING

LVS 工作在 INPUT 链上：

• VIP 的数据包到达 PREROUTING → 路由判断是本机 → 进入 INPUT。
• ip_vs 模块在 INPUT 链上拦截数据包，根据调度规则修改目标地址。
• NAT 模式：修改后的包走 FORWARD → POSTROUTING 发往 RS。
• DR 模式：修改 MAC 地址后直接通过交换机发往 RS。

四、LVS 的 4 种工作模式及原理

LVS 的四种工作模式按数据包修改的层次不同分为：lvs-nat（修改 IP 层，DNAT）、lvs-dr（修改 MAC 层）、lvs-tun（IP 隧道封装）、lvs-fullnat（双向全 NAT）。

4.1 NAT 模式（Network Address Translation）

【原理】LVS 修改数据包的目标 IP 地址（DNAT），将 VIP 转换为选中 RS 的 RIP。RS 处理完毕后，响应必须原路返回 Director，再由 Director 做 SNAT 还原源 IP 后返回客户端。

数据包流转（NAT 模式）：

┌────────┐ ①请求(CIP→VIP) ┌────────────┐ ②DNAT(VIP→RIP) ┌──────────┐ │ Client │ ──────────────────► │ Director │ ──────────────────► │ Real Srv │ │ CIP:X │ │ VIP/RIP │ │ RIP │ │ │ ◄────────────────── │ 改目标IP │ ◄────────────────── │ │ └────────┘ ④响应(VIP→CIP) └────────────┘ ③响应(RIP→CIP) └──────────┘ 由Director SNAT还原 RS的默认网关必须是Director

★ NAT 模式的工作流程（逐步详解）：

1. 客户端发送请求：CIP → VIP:Port
2. Director 收到后做 DNAT：将目标 IP 从 VIP 改为选中 RS 的 RIP
3. RS 收到请求，处理后生成响应：RIP → CIP
4. 响应必须经过 Director（因 RS 默认网关指向 Director）
5. Director 做 SNAT：将源 IP 从 RIP 还原为 VIP，返回给客户端

六、LVS NAT模式实验配置

以下为LVS NAT模式实验环境配置的详细命令，每条命令均附带注释说明，可直接在Xshell中执行。

6.1 环境说明

6.2 环境设定操作

6.2.1 基本环境配置

lvs主机网络配置：

• eth0 - nat模式 - 172.25.254.100
• eth1 - hostonly模式 - 192.168.0.100

rs1主机网络配置：

• eth0 - hostonly模式 - 192.168.0.10
• 注意：使用脚本设定IP时不设定网关，后续手动设定

rs2主机网络配置：

• eth0 - hostonly模式 - 192.168.0.20
• 注意：使用脚本设定IP时不设定网关，后续手动设定

6.2.2 设定RS1和RS2的网关

在RS1主机上执行以下命令：

# 修改eth0网卡的网关为192.168.0.100（指向LVS的DIP） [root@rs1 ~]# nmcli connection modify eth0 ipv4.gateway 192.168.0.100 重新加载网络连接配置 [root@rs1 ~]# nmcli connection reload 激活eth0网络连接 [root@rs1 ~]# nmcli connection up eth0 连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/4） 查看路由表，确认网关设置生效 [root@rs1 ~]# route -n Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface 0.0.0.0 192.168.0.100 0.0.0.0 UG 100 0 0 eth0 192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 100 0 0 eth0

在RS2主机上执行以下命令：

# 修改eth0网卡的网关为192.168.0.100（指向LVS的DIP） [root@rs2 ~]# nmcli connection modify eth0 ipv4.gateway 192.168.0.100 重新加载网络连接配置 [root@rs2 ~]# nmcli connection reload 激活eth0网络连接 [root@rs2 ~]# nmcli connection up eth0 连接已成功激活（D-Bus 活动路径：/org/freedesktop/NetworkManager/ActiveConnection/4） 查看路由表，确认网关设置生效 [root@rs2 ~]# route -n Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface 0.0.0.0 192.168.0.100 0.0.0.0 UG 100 0 0 eth0 192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 100 0 0 eth0

6.2.3 环境验证

配置效果验证：

• 所有IP之间可以直接ping通
• RS1和RS2的默认网关都指向LVS的DIP（192.168.0.100）
• LVS可以同时访问nat网络（172.25.254.0/24）和hostonly网络（192.168.0.0/24）

网络连通性测试命令：

# 从LVS ping RS1 [root@lvs ~]# ping 192.168.0.10 从LVS ping RS2 [root@lvs ~]# ping 192.168.0.20 从RS1 ping LVS [root@rs1 ~]# ping 192.168.0.100 从RS2 ping LVS [root@rs2 ~]# ping 192.168.0.100 从RS1 ping RS2（通过LVS网关转发） [root@rs1 ~]# ping 192.168.0.20 从RS2 ping RS1（通过LVS网关转发） [root@rs2 ~]# ping 192.168.0.10

注意事项：

1. NAT模式下，RS的默认网关必须指向Director的DIP，否则响应包无法返回
2. 确保所有主机的防火墙已关闭或配置了相应规则
3. LVS主机需要开启IP转发功能：sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
4. 建议将IP转发配置写入/etc/sysctl.conf文件永久生效

五、LVS 调度算法

LVS 内置了 13 种调度算法，可根据业务场景灵活选择。