【LVS入门宝典】LVS-TUN模式原理与配备：跨越网络界限的负载均衡解决方案

news/2025/10/9 18:05:28/文章来源:https://www.cnblogs.com/ljbguanli/p/19131693

【LVS入门宝典】LVS-TUN模式原理与配备：跨越网络界限的负载均衡解决方案

目录

引言

1 LVS-TUN模式基础概念解析

1.1 什么是LVS-TUN模式？

1.2 TUN模式与DR、NAT模式的对比

1.3 TUN模式的工作原理详解

2 LVS-TUN模式环境规划与准备

2.1 环境设计

2.2 系统基础环境配置

3 LVS-TUN模式详细配置实践

3.1 负载均衡器（Director）配置

3.2 真实服务器（Real Server）配置

3.3 高级隧道配置优化

4 LVS-TUN模式关键技术深度解析

4.1 IP隧道技术原理详解

4.2 数据包流向深度分析

4.3 调度算法与持久连接

5 总结

引言

Linux Virtual Server（LVS）作为开源负载均衡领域的佼佼者，提供了三种核心工作模式：NAT、DR和TUN模式。其中，TUN（IP Tunneling）模式凭借其独特的跨网络部署能力，在分布式场景中展现出无可替代的价值。
LVS-TUN模式通过IP隧道技术打破了传统负载均衡的地理限制，允许真实服务器分布在不同网络环境中，为构建跨地域、跨数据中心的负载均衡系统提供了技术可能。这种模式特别适用于云计算环境、CDN网络和全球分布式系统等场景。

1 LVS-TUN模式基础概念解析

1.1 什么是LVS-TUN模式？

  • LVS-TUN模式是LVS的三种工作模式之一，它基于IP隧道（IP Tunneling）技术实现负载均衡
  • TUN是"Tunnel"的缩写，这种模式的核心思想是通过封装原始IP数据包，在负载均衡器（Director）和真实服务器（Real Server）之间建立虚拟的通信通道
  • 与DR模式不同，TUN模式不要求Director和Real Server位于同一物理网络段
  • 通过IP隧道技术，Real Server可以分布在不同的网络位置，甚至跨越公网进行通信，这种架构为分布式系统提供了极大的灵活性

1.2 TUN模式与DR、NAT模式的对比

特性维度

NAT模式

DR模式

TUN模式

网络要求

同一网络段

同一网络段

可跨不同网络

性能表现

较低（双向处理）

高（直接返回）

较高（隧道开销）

配置复杂度

简单

中等（需ARP抑制）

复杂（需隧道支持）

Real Server位置

必须同一网络

必须同一网络

可分布式部署

可扩展性

有限

良好

优秀

适用场景

小型集群

高性能集群

分布式集群

1.3 TUN模式的工作原理详解

请求处理阶段：
  • 客户端发送请求：客户端向虚拟IP（VIP）发送请求包，源IP为CIP，目标IP为VIP
  • Director接收请求：Director在VIP上接收请求包，根据调度算法选择一台Real Server
  • IP隧道封装：Director将原始IP数据包封装在新的IP包中，新包源IP为DIP，目标IP为RIP
  • 隧道传输：封装后的数据包通过IP网络传输到Real Server
响应处理阶段：
  • 解封装处理：Real Server接收隧道包，解封装恢复原始数据包（CIP→VIP）
  • 请求处理：Real Server处理请求并生成响应数据
  • 直接响应：Real Server直接将响应包发送给客户端，源IP为VIP，目标IP为CIP
  • 客户端接收：客户端收到响应，认为来自VIP

2 LVS-TUN模式环境规划与准备

2.1 环境设计

角色

主机名

公网IP

内网IP

隧道IP

负载均衡器

director

203.0.113.10

192.168.1.10

10.0.0.1

真实服务器1

rs1

203.0.113.11

192.168.1.11

10.0.0.2

真实服务器2

rs2

198.51.100.22

192.168.2.22

10.0.0.3

客户端

client

203.0.113.50

-

-

网络规划说明：
  • 公网IP：模拟互联网环境，Director和Real Server可以通过公网通信
  • 内网IP：各节点的内部网络地址
  • 隧道IP：用于IP隧道通信的虚拟IP地址段
  • VIP（虚拟IP）：203.0.113.100，对外提供服务的虚拟IP

2.2 系统基础环境配置

在所有服务器上执行基础配置：
  • 步骤1：系统更新和基础软件安装
# 更新系统包
yum update -y
# 安装必要工具
yum install -y wget curl vim net-tools iproute tcpdump
# 关闭SELinux
setenforce 0
sed -i 's/SELINUX=enforcing/SELINUX=disabled/g' /etc/selinux/config
# 停止防火墙（生产环境应配置规则）
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
  • 步骤2：配置主机名和hosts解析
# 在director上
hostnamectl set-hostname director
# 在rs1上
hostnamectl set-hostname rs1
# 在rs2上
hostnamectl set-hostname rs2
# 配置hosts文件（所有节点）
cat >> /etc/hosts << EOF
203.0.113.10 director
203.0.113.11 rs1
198.51.100.22 rs2
203.0.113.100 www.example.com
EOF
  • 步骤3：配置网络接口
# 在director上配置VIP
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cat > ifcfg-eth0:0 << EOF
DEVICE=eth0:0
BOOTPROTO=static
IPADDR=203.0.113.100
NETMASK=255.255.255.255
ONBOOT=yes
EOF
systemctl restart network

3 LVS-TUN模式详细配置实践

3.1 负载均衡器（Director）配置

  • 步骤1：安装必要的软件包
# 安装IPVS管理工具和隧道支持
yum install -y ipvsadm iproute
# 检查内核隧道支持
modprobe ipip
lsmod | grep ipip
# 永久加载隧道模块
echo "modprobe ipip" >> /etc/rc.local
chmod +x /etc/rc.local
  • 步骤2：配置IP隧道接口
# 创建隧道接口tunl0
ip tunnel add tunl0 mode ipip remote any local 203.0.113.10
ip addr add 10.0.0.1/24 dev tunl0
ip link set tunl0 up
# 验证隧道接口
ip addr show tunl0
ip route show table all
# 配置隧道接口持久化
cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-tunl0 << EOF
DEVICE=tunl0
BOOTPROTO=none
ONBOOT=yes
TYPE=IPIP
PEER_OUTER_IPADDR=any
PEER_INNER_IPADDR=10.0.0.2
MY_INNER_IPADDR=10.0.0.1
MY_OUTER_IPADDR=203.0.113.10
EOF
  • 步骤3：配置IPVS规则
# 添加虚拟服务
ipvsadm -A -t 203.0.113.100:80 -s rr
# 添加真实服务器（通过隧道IP）
ipvsadm -a -t 203.0.113.100:80 -r 10.0.0.2:80 -i
ipvsadm -a -t 203.0.113.100:80 -r 10.0.0.3:80 -i
# 查看IPVS规则
ipvsadm -Ln
# 保存IPVS规则
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
# 创建持久化服务
cat > /etc/systemd/system/ipvs-persist.service  /etc/sysconfig/ipvsadm
RemainAfterExit=yes
[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF
systemctl daemon-reload
systemctl enable ipvs-persist
  • 步骤4：配置内核参数
# 启用IP转发
echo "net.ipv4.ip_forward = 1" >> /etc/sysctl.conf
# TUN模式特定参数
echo "net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.conf.default.rp_filter = 0" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.conf.tunl0.rp_filter = 0" >> /etc/sysctl.conf
# 应用配置
sysctl -p

3.2 真实服务器（Real Server）配置

在每台Real Server上执行以下配置：
  • 步骤1：安装Web服务和隧道支持
# 安装Apache
yum install -y httpd
# 创建测试页面（在rs1上）
echo "Hello from Real Server 1 - TUN Mode" > /var/www/html/index.html
# 在rs2上
echo "Hello from Real Server 2 - TUN Mode" > /var/www/html/index.html
# 启动Web服务
systemctl start httpd
systemctl enable httpd
  • 步骤2：配置隧道接口
# 加载IPIP隧道模块
modprobe ipip
# 创建隧道接口（在rs1上）
ip tunnel add tunl0 mode ipip remote 203.0.113.10 local 203.0.113.11
ip addr add 10.0.0.2/24 dev tunl0
ip link set tunl0 up
# 在rs2上
ip tunnel add tunl0 mode ipip remote 203.0.113.10 local 198.51.100.22
ip addr add 10.0.0.3/24 dev tunl0
ip link set tunl0 up
# 验证隧道接口
ip addr show tunl0
  • 步骤3：配置VIP和路由
# 在环回接口上配置VIP
ip addr add 203.0.113.100/32 dev lo
# 添加路由，确保响应包通过正确接口
ip route add 203.0.113.100/32 dev lo table local
# 避免RPF过滤问题
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/tunl0/rp_filter
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter
  • 步骤4：配置ARP抑制
# 创建ARP抑制脚本
cat > /etc/init.d/lvs-tun  /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
# 添加VIP到lo接口
ip addr add $VIP/32 dev lo
# 配置路由
ip route add $VIP/32 dev lo scope host
# 禁用RPF过滤
for i in /proc/sys/net/ipv4/conf/*/rp_filter; do
echo 0 > $i
done
;;
stop)
# 移除VIP
ip addr del $VIP/32 dev lo 2>/dev/null
# 恢复ARP参数
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
;;
*)
echo "Usage: $0 {start|stop}"
exit 1
;;
esac
EOF
chmod +x /etc/init.d/lvs-tun
/etc/init.d/lvs-tun start
# 设置开机自启动
echo "/etc/init.d/lvs-tun start" >> /etc/rc.local
chmod +x /etc/rc.local

3.3 高级隧道配置优化

  • 步骤1：配置持久化隧道接口
# 创建隧道接口配置文件
cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-tunl0 << EOF
DEVICE=tunl0
BOOTPROTO=none
ONBOOT=yes
TYPE=IPIP
PEER_OUTER_IPADDR=203.0.113.10    # Director公网IP
PEER_INNER_IPADDR=10.0.0.1        # Director隧道IP
MY_INNER_IPADDR=10.0.0.2          # 本地隧道IP
MY_OUTER_IPADDR=203.0.113.11      # 本地公网IP
EOF
  • 步骤2：配置隧道健康检查
# 创建隧道监控脚本
cat > /usr/local/bin/tunnel-monitor.sh  /dev/null; then
logger "LVS-TUN: Tunnel is down, attempting to restart"
ip link set $TUNNEL_DEV down
ip link set $TUNNEL_DEV up
sleep 5
fi
sleep $CHECK_INTERVAL
done
EOF
chmod +x /usr/local/bin/tunnel-monitor.sh
# 创建systemd服务
cat > /etc/systemd/system/tunnel-monitor.service << EOF
[Unit]
Description=LVS TUN Tunnel Monitor
After=network.target
[Service]
Type=simple
ExecStart=/usr/local/bin/tunnel-monitor.sh
Restart=always
[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF
systemctl daemon-reload
systemctl enable tunnel-monitor
systemctl start tunnel-monitor

4 LVS-TUN模式关键技术深度解析

4.1 IP隧道技术原理详解

IP隧道是TUN模式的核心技术，理解其工作原理对于故障排查和性能优化至关重要。
封装过程分析：
  • 原始数据包：CIP → VIP (TCP端口80)
  • 封装后数据包：DIP → RIP (IP协议号4)，内部包含原始数据包
  • 协议号4：表示IP-in-IP封装，这是IP隧道的标准协议号
解封装过程：
  • Real Server收到DIP→RIP的数据包
  • 内核识别协议号为4，进行IP-in-IP解封装
  • 提取出原始数据包CIP→VIP，交给上层协议处理

4.2 数据包流向深度分析

  • 在Director上抓包分析：
# 查看原始请求和隧道封装
tcpdump -i any -n host 203.0.113.100
# 同时查看eth0和tunl0接口
tcpdump -i eth0 -n host 203.0.113.10
tcpdump -i tunl0 -n
  • 在Real Server上抓包分析：
# 查看隧道包和解封装后的包
tcpdump -i eth0 -n ip proto 4
tcpdump -i tunl0 -n
tcpdump -i lo -n host 203.0.113.100

4.3 调度算法与持久连接

  • 调度算法选择建议：
# 查看支持的调度算法
cat /proc/net/ip_vs_schedulers
# 根据场景选择算法
ipvsadm -E -t 203.0.113.100:80 -s wlc  # 加权最少连接
ipvsadm -E -t 203.0.113.100:80 -s sh   # 源地址哈希（会话保持）
  • 持久连接配置：
# 设置持久连接超时（秒）
ipvsadm -E -t 203.0.113.100:80 -p 3600
# 基于客户端IP的持久性
ipvsadm -A -t 203.0.113.100:80 -s sh -p 3600

5 总结

LVS-TUN模式作为一种先进的负载均衡解决方案，通过IP隧道技术实现了跨网络边界的服务器集群部署。与DR模式相比，TUN模式的最大优势在于支持分布式部署，适用于云计算、CDN等需要跨地域负载均衡的场景。然而，这种灵活性也带来了配置复杂性和性能开销的增加。
在实际应用中，建议根据具体业务需求选择合适的工作模式。对于同数据中心的集群，DR模式可能是更优选择；而对于分布式环境，TUN模式则展现出其独特价值。

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