四层负载均衡的NAT模型与DR模型推导-京东云开发者社区

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目前流行的DR模型的工作原理。为了叙述方便，文中将“四层负载均衡器” 简称为“FLB” (Four-tier Load Balancer)。

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### 1.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：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/063df6c2-2620-4435-a2c9-e95b7478940f20210720140004.png)

<center>图 1 FLB的基本网络拓扑图</center>
<center>其中CIP为客户端的ip，RIP为RS的ip</center>

### 2.四层负载均衡技术的特点
（1）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。

（2）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。

### 3.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？

### 4.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

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/14ee4001-a761-441f-9b6f-1aafacfb1d4d20210720140116.png)

<center>图 2 FLB的NAT 模型的基本网络拓扑图 </center>

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。

#### 4.1NAT模型的弊端
（1）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。

（2）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。

### 5.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：

（1）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。

（2）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）

（3）基于（2）中所述内容：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。

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/76a73c37-ad54-468d-8e43-cab45cb6ce7b20210720140201.png)

<center>图 3 FLB的DR 模型的基本网络拓扑图 </center>

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。

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自猿其说Tech-JDL京东物流技术发展部
作者：网规技术部 伍泓全