LVS集群系统网络核心原理分析
摘要本文主要介绍了LVS系统采用2.4内核的NetFilter的功能实现负载均衡的基本原理和技术手段。主要介绍了3个比较重要的NetFilter钩子函数，最后描述了LVS的平衡算法。(2002-07-31 10:30:20)
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By iamafan
Internet的快速增长使多媒体网络服务器面对的访问数量快速增加，服务器需要具备提供大量并发访问服务的能力，因此对于大负载的服务器来讲， CPU、I/O处理能力很快会成为瓶颈。由于单台服务器的性能总是有限的，简单的提高硬件性能并不能真正解决这个问题。为此，必须采用多服务器和负载均衡技术才能满足大量并发访问的需要。Linux 虚拟服务器(Linux Virtual Servers,LVS) 使用负载均衡技术将多台服务器组成一个虚拟服务器。它为适应快速增长的网络访问需求提供了一个负载能力易于扩展，而价格低廉的解决方案。
1.LVS结构与工作原理
LVS的结构如图1所示，它由前端的负载均衡器(Load Balancer，LB)和后端的真实服务器(Real Server，RS)群组成。RS间可通过局域网或广域网连接。LVS的这种结构对用户是透明的，用户只能看见一台作为LB的虚拟服务器(Virtual Server)，而看不到提供服务的RS群。
如图1所示
当用户的请求发往虚拟服务器，LB根据设定的包转发策略和负载均衡调度算法将用户请求转发给RS。RS再将用户请求结果返回给用户。同请求包一样，应答包的返回方式也与包转发策略有关。
LVS的包转发策略有三种：
NAT (Network Address Translation)模式。LB收到用户请求包后，LB将请求包中虚拟服务器的IP地址转换为某个选定RS的IP地址，转发给RS；RS将应答包发给LB，LB将应答包中RS的IP转为虚拟服务器的IP地址，回送给用户。
IP隧道 (IP Tunneling)模式。LB收到用户请求包后，根据IP隧道协议封装该包，然后传给某个选定的RS；RS解出请求信息，直接将应答内容传给用户。此时要求RS和LB都要支持IP隧道协议。
DR(Direct Routing)模式。LB收到请求包后，将请求包中目标MAC地址转换为某个选定RS的MAC地址后将包转发出去，RS收到请求包后 ,可直接将应答内容传给用户。此时要求LB和所有RS都必须在一个物理段内,且LB与RS群共享一个虚拟IP。
2、IPVS软件结构与实现
LVS软件的核心是运行在LB上的IPVS，它使用基于IP层的负载均衡方法。IPVS的总体结构如图2所示，它主要由IP包处理、负载均衡算法、系统配置与管理三个模块及虚拟服务器与真实服务器链表组成。
如图2所示
2.1 LVS对 IP包的处理模式
IP包处理用Linux 2.4内核的Netfilter框架完成。一个数据包通过Netfilter框架的过程如图所示：
通俗的说，netfilter的架构就是在整个网络流程的若干位置放置了一些检测点（HOOK），而在每个检测点上上登记了一些处理函数进行处理（如包过滤，NAT等，甚至可以是用户自定义的功能）。
IP层的五个HOOK点的位置如下图所示（copy from ） ：
如图3所示
NF_IP_PRE_ROUTING：刚刚进入网络层的数据包通过此点（刚刚进行完版本号，校验和等检测），源地址转换在此点进行；
NF_IP_LOCAL_IN：经路由查找后，送往本机的通过此检查点,INPUT包过滤在此点进行；
NF_IP_FORWARD：要转发的包通过此检测点,FORWORD包过滤在此点进行；
NF_IP_LOCAL_OUT：本机进程发出的包通过此检测点，OUTPUT包过滤在此点进行；
NF_IP_POST_ROUTING：所有马上便要通过网络设备出去的包通过此检测点，内置的目的地址转换功能（包括地址伪装）在此点进行。
在IP层代码中，有一些带有NF_HOOK宏的语句，如IP的转发函数中有：
<-ipforward.c ip_forward()->
NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_FORWARD, skb, skb->dev, dev2,ip_forward_finish);
//其中NF_HOOK宏的定义基本如下：
<-/include/linux/netfilter.h->
#ifdef CONFIG_NETFILTER
#define NF_HOOK(pf, hook, skb, indev, outdev, okfn)
(list_empty(&nf_hooks[(pf)][(hook)])
? (okfn)(skb)
: nf_hook_slow((pf), (hook), (skb), (indev), (outdev), (okfn)))
#else /* !CONFIG_NETFILTER */
#define NF_HOOK(pf, hook, skb, indev, outdev, okfn) (okfn)(skb)
#endif /*CONFIG_NETFILTER*/
如果在编译内核时没有配置netfilter时，就相当于调用最后一个参数，此例中即执行ip_forward_finish函数；否则进入HOOK 点，执行通过nf_register_hook（）登记的功能（这句话表达的可能比较含糊，实际是进入nf_hook_slow（）函数，再由它执行登记的函数）。
NF_HOOK宏的参数分别为：
pf：协议族名，netfilter架构同样可以用于IP层之外，因此这个变量还可以有诸如PF_INET6，PF_DECnet等名字。
hook：HOOK点的名字，对于IP层，就是取上面的五个值；
skb：顾名思义
indev：进来的设备，以struct net_device结构表示；
outdev：出去的设备，以struct net_device结构表示；
okfn:是个函数指针，当所有的该HOOK点的所有登记函数调用完后，转而走此流程。
这些点是已经在内核中定义好的，除非你是这部分内核代码的维护者，否则无权增加或修改，而在此检测点进行的处理，则可由用户指定。像packet filter,NAT,connection track这些功能，也是以这种方式提供的。正如netfilter的当初的设计目标－－提供一个完善灵活的框架，为扩展功能提供方便。
如果我们想加入自己的代码,便要用nf_register_hook函数，其函数原型为：
int nf_register_hook(struct nf_hook_ops *reg)
struct nf_hook_ops：//结构
struct nf_hook_ops
{
struct list_head list;
/* User fills in from here down. */
nf_hookfn *hook;
int pf;
int hooknum;
/* Hooks are ordered in ascending priority. */
int priority;
};
其实，类似LVS的做法就是生成一个struct nf_hook_ops结构的实例，并用nf_register_hook将其HOOK上。其中list项要初始化为{NULL,NULL}；由于一般在 IP层工作，pf总是PF_INET；hooknum就是HOOK点;一个HOOK点可能挂多个处理函数，谁先谁后，便要看优先级，即priority的指定了。netfilter_ipv4.h中用一个枚举类型指定了内置的处理函数的优先级：
enum nf_ip_hook_priorities {
NF_IP_PRI_FIRST = INT_MIN,
NF_IP_PRI_CONNTRACK = -200,
NF_IP_PRI_MANGLE = -150,
NF_IP_PRI_NAT_DST = -100,
NF_IP_PRI_FILTER = 0,
NF_IP_PRI_NAT_SRC = 100,
NF_IP_PRI_LAST = INT_MAX,
};
hook是提供的处理函数，也就是我们的主要工作，其原型为：
unsigned int nf_hookfn(unsigned int hooknum,
struct sk_buff **skb,
const struct net_device *in,
const struct net_device *out,
int (*okfn)(struct sk_buff *));
它的五个参数将由NFHOOK宏传进去。
以上是NetFillter编写自己模块时的一些基本用法，接下来，我们来看一下LVS中是如何实现的。
3.LVS中Netfiler的实现
利用Netfilter，LVS处理数据报从左边进入系统，进行IP校验以后，数据报经过第一个钩子函数NF_IP_PRE_ROUTING [HOOK1]进行处理；然后进行路由选择，决定该数据报是需要转发还是发给本机；若该数据报是发被本机的，则该数据经过钩子函数 NF_IP_LOCAL_IN[HOOK2]处理后传递给上层协议；若该数据报应该被转发，则它被NF_IP_FORWARD[HOOK3]处理；经过转发的数据报经过最后一个钩子函数NF_IP_POST_ROUTING[HOOK4]处理以后，再传输到网络上。本地产生的数据经过钩子函数 NF_IP_LOCAL_OUT[HOOK5]处理后，进行路由选择处理，然后经过NF_IP_POST_ROUTING[HOOK4]处理后发送到网络上。
当启动IPVS加载ip_vs模块时，模块的初始化函数ip_vs_init( )注册了NF_IP_LOCAL_IN[HOOK2]、NF_IP_FORWARD[HOOK3]、NF_IP_POST_ROUTING[HOOK4] 钩子函数用于处理进出的数据报。
3.1 NF_IP_LOCAL_IN处理过程
用户向虚拟服务器发起请求，数据报经过NF_IP_LOCAL_IN[HOOK2],进入ip_vs_in( )进行处理。如果传入的是icmp数据报，则调用ip_vs_in_icmp( )；否则继续判断是否为tcp/udp数据报，如果不是tcp/udp数据报，则函数返回NF_ACCEPT(让内核继续处理该数据报)；余下情况便是处理tcp/udp数据报。首先，调用ip_vs_header_check( )检查报头，如果异常，则函数返回NF_DROP(丢弃该数据报)。接着，调用ip_vs_conn_in_get( )去ip_vs_conn_tab表中查找是否存在这样的连接：它的客户机和虚拟服务器的ip地址和端口号以及协议类型均与数据报中的相应信息一致。如果不存在相应连接，则意味着连接尚未建立，此时如果数据报为tcp的sync报文或udp数据报则查找相应的虚拟服务器；如果相应虚拟服务器存在但是
