导读

本文首先讲述四层负载均衡技术的特点，然后通过提问的方式推导出四层负载均衡器的 NAT 模型和 DR 模型的工作原理。通过本文可以了解到四层负载均衡的技术特点、NAT 模型和 DR 模型的工作原理、以及 NAT 模型和 DR 模型的优缺点。读者可以重点关注 NAT 模型到 DR 模型演进的原因 (一种技术的诞生肯定是为了弥补现有技术的不足)。除此之外，读者可以多多关注一些基本的、底层的知识，比如内核空间、用户空间、计算机网络等。 为了叙述方便，文中将 “四层负载均衡器” 简称为 “FLB” (Four-tier Load Balancer)。

一、FLB 在网络中的基本拓扑

FLB 工作在 OSI 七层网络参考模型的第四层（传输控制层）,FLB 上必须具备两个 IP 地址，VIP 和 DIP。VIP 是暴露给客户端的访问地址；DIP 是 FLB 的分发 IP，将数据包通过 DIP 所在的网卡发送给后端的真实提供服务的服务器（后面简称 “RS”（Real Server）），如下图。

图 1 FLB 的基本网络拓扑图

其中 CIP 为客户端的 ip，RIP 为 RS 的 ip。

二、四层负载均衡技术的特点

由于 FLB 工作在传输控制层，因此它对数据包的处理（转发）总是运行在内核态，不会产生内核态和用户态的切换。

虽然 FLB 工作在传输控制层，但是它并不会和 client 进行三次握手，它只是 “偷窥” 数据包中的 ip 地址和端口号，然后根据配置的规则进行数据包的转发，速度极快。

三、提出问题

在图 1 中，如果 client 发送数据包最终到达 server1，由于 client 数据包的目的 ip 为 VIP，当 server1 收到数据包时，发现数据包的目的 ip 竟然不是自己的 ip，那岂不会丢弃数据包？

四、NAT 模型

NAT .NETwork Address Translation) 模型，针对 3 中的问题，可以在 FLB 中增加对客户端的目的地址 vip 的地址转换，将 vip 转换成后端某一 RS 的 ip，然后再将数据包发送出去，详细的网络拓扑如图 2。

图 2 FLB 的 NAT 模型的基本网络拓扑图

需要注意的是，上面的后端的 server 的默认网关需要配置成负载均衡服务器的地址。这样 server 响应的数据包才能回到负载均衡服务器上。

NAT 模型的弊端

很明显的一点是，在做 NAT 地址转换时，会消耗负载均衡服务器 cpu 的算力。大多数情况下，client 向 server 请求的数据报文很小，而 server 向 client 响应的数据报文很大，这就是 “非对称” 的。在通过 NAT 的方式实现负载均衡时，client 请求报文和 server 返回的数据报文都要经过负载均衡服务器进行网络地址转换，如果请求的并发流量很大，那么大量并发的响应报文返回到 FLB 时，负载均衡服务器的网络带宽就会成为瓶颈。

五、DR (Direct Route) 模型

直接路由模式可以解决 NAT 模型的两个弊端。DR 模式不经过 NAT 地址转换，而是将 server 端返回的数据包的源 ip 直接写成 VIP 发送出去。这其中涉及到几个要点：

• 由于 server 返回的数据包的源 ip 要写成 vip，而不是 rip，那么在 server 本地需要配置 vip。并且这个 vip 必须是对外隐藏的，也就是说外界 (客户端、负载均衡器) 不能直接访问到 server 中的 vip，而是必须访问负载均衡器暴露的 vip。
• 在负载均衡器中，接收到 client 的数据包的源 ip 是 cip，目的 ip 是负载均衡器暴露的 vip，那么负载均衡器如何才能将该数据包发送给 server 呢？（由于 server 的 vip 是隐藏的，负载均衡服务器只能看到 rip）。在 DR 模式中，是通过 mac 地址欺骗的方式来实现。负载均衡服务器接收到 client 的请求数据包之后，将目的 MAC 地址替换为后端某一台 server1 的 MAC 地址（替换之前，目的 MAC 地址为负载均衡器的 MAC 地址），然后将数据包发送出去，进行点到点通信，这样 server1 就收到了 client 的数据包。 点对点通信依赖的是 MAC 地址（数据链路层）。
• 基于上述内容：要实现负载均衡器和后端 server 点对点通信，因此约束了：负载均衡服务器的 DIP 和后端的 server 必须在同一个机房 (局域网)。

根据上面的推导，DR 模型的基本网络拓扑如图 3 所示。

图 3 FLB 的 DR 模型的基本网络拓扑图

在 RS 中如何配置 VIP，如何实现 VIP 隐藏？且听下回分解：LVS DR 模型实验搭建与验证。

作者：京东物流 伍泓全

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