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LVS集群中的IP负载均衡技术


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3. 通过NAT实现虚拟服务器(VS/NAT)



由于IPv4中IP地址空间的日益紧张和安全方面的原因,很多网络使用保留IP地址(10.0.0.0/255.0.0.0、 172.16.0.0/255.128.0.0和192.168.0.0/255.255.0.0)[64, 65, 66]。这些地址不在Internet上使用,而是专门为内部网络预留的。当内部网络中的主机要访问Internet或被Internet访问时,就需要采用网络地址转换(Network Address Translation, 以下简称NAT),将内部地址转化为Internets上可用的外部地址。NAT的工作原理是报文头(目标地址、源地址和端口等)被正确改写后,客户相信它们连接一个IP地址,而不同IP地址的服务器组也认为它们是与客户直接相连的。由此,可以用NAT方法将不同IP地址的并行网络服务变成在一个IP地址上的一个虚拟服务。



VS/NAT的体系结构如图2所示。在一组服务器前有一个调度器,它们是通过Switch/HUB相连接的。这些服务器提供相同的网络服务、相同的内容,即不管请求被发送到哪一台服务器,执行结果是一样的。服务的内容可以复制到每台服务器的本地硬盘上,可以通过网络文件系统(如NFS)共享,也可以通过一个分布式文件系统来提供。









图2:VS/NAT的体系结构






客户通过Virtual IP Address(虚拟服务的IP地址)访问网络服务时,请求报文到达调度器,调度器根据连接调度算法从一组真实服务器中选出一台服务器,将报文的目标地址 Virtual IP Address改写成选定服务器的地址,报文的目标端口改写成选定服务器的相应端口,最后将修改后的报文发送给选出的服务器。同时,调度器在连接Hash 表中记录这个连接,当这个连接的下一个报文到达时,从连接Hash表中可以得到原选定服务器的地址和端口,进行同样的改写操作,并将报文传给原选定的服务器。当来自真实服务器的响应报文经过调度器时,调度器将报文的源地址和源端口改为Virtual IP Address和相应的端口,再把报文发给用户。我们在连接上引入一个状态机,不同的报文会使得连接处于不同的状态,不同的状态有不同的超时值。在TCP 连接中,根据标准的TCP有限状态机进行状态迁移,这里我们不一一叙述,请参见W. Richard Stevens的《TCP/IP Illustrated Volume I》;在UDP中,我们只设置一个UDP状态。不同状态的超时值是可以设置的,在缺省情况下,SYN状态的超时为1分钟,ESTABLISHED状态的超时为15分钟,FIN状态的超时为1分钟;UDP状态的超时为5分钟。当连接终止或超时,调度器将这个连接从连接Hash表中删除。



这样,客户所看到的只是在Virtual IP Address上提供的服务,而服务器集群的结构对用户是透明的。对改写后的报文,应用增量调整Checksum的算法调整TCP Checksum的值,避免了扫描整个报文来计算Checksum的开销。

在一些网络服务中,它们将IP地址或者端口号在报文的数据中传送,若我们只对报文头的IP地址和端口号作转换,这样就会出现不一致性,服务会中断。所以,针对这些服务,需要编写相应的应用模块来转换报文数据中的IP地址或者端口号。我们所知道有这个问题的网络服务有FTP、IRC、 H.323、CUSeeMe、Real Audio、Real Video、Vxtreme / Vosiac、VDOLive、VIVOActive、True Speech、RSTP、PPTP、StreamWorks、NTT AudioLink、NTT SoftwareVision、Yamaha MIDPlug、iChat Pager、Quake和Diablo。



下面,举个例子来进一步说明VS/NAT,如图3所示:



 






图3:VS/NAT的例子
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