背景介紹：為什麼選擇 LVS 負載均衡？

在高併發 Web 架構中，隨着用户量增長，單台服務器的性能瓶頸和單點故障問題會愈發突出。傳統應用層負載均衡（如 Nginx）雖配置靈活，但在百萬級併發場景下，用户態轉發的性能限制會顯現。

LVS（Linux Virtual Server）作為內核級負載均衡方案，工作在傳輸層（Layer 4），通過 IPVS 模塊直接在內核中處理數據包轉發，無需用户態與內核態的頻繁切換，可輕鬆支撐百萬級併發連接，且資源佔用極低。其 NAT 模式配置簡單，無需修改後端服務器網絡架構，是大型互聯網企業高併發場景的首選方案，也適合負載均衡入門者快速掌握內核級負載均衡的核心原理。

本文將在 CentOS 7 系統上從零部署完整的 LVS 負載均衡集羣（NAT 模式），覆蓋環境準備、核心配置、效果驗證及持久化優化，助力快速構建高可用、高併發的 Web 架構。

核心關鍵詞解釋

• LVS（Linux Virtual Server）：集成於 Linux 內核的開源負載均衡項目，通過 IPVS 模塊實現高效數據包轉發，支持 NAT、DR、TUN 三種模式；
• IPVS（IP Virtual Server）：LVS 的核心內核模塊，負責實現負載均衡的調度算法和數據包轉發邏輯，無需額外安裝；
• VIP（Virtual IP）：虛擬 IP 地址，對外提供統一的服務訪問入口，客户端僅需訪問 VIP 即可享受負載均衡服務；
• Director（調度器）：運行 LVS 的服務器，負責接收客户端請求，根據調度算法轉發至後端真實服務器；
• RS（Real Server）：後端真實服務器，運行 Web 等應用服務，處理調度器轉發的請求；
• NAT 模式：LVS 三種模式之一，通過地址轉換實現請求轉發，所有進出流量均經過調度器，配置簡單但存在流量瓶頸；
• 調度算法：LVS 分發請求的規則，常用輪詢（rr）、加權輪詢（wrr）、最小連接（lc）等；
• ipvsadm：LVS 的用户態管理工具，用於配置、查看和修改 LVS 負載均衡規則。

一、LVS 簡介與 NAT 模式原理

1. 什麼是 LVS？

LVS 是一個開源負載均衡項目，已集成到 Linux 內核中。它通過 IPVS（IP Virtual Server）模塊實現高效的數據包轉發，無需額外安裝內核，僅需通過用户態工具（如 ipvsadm）即可配置和管理。

2. NAT 模式工作原理

NAT（Network Address Translation）模式是 LVS 三種常用模式（NAT、DR、TUN）中配置最簡單的一種，其流量路徑遵循以下流程：

1. 客户端發送請求至 LVS 的虛擬 IP（VIP）；
2. LVS 調度器（Director）接收請求後，根據預設的調度算法（如輪詢）將請求轉發給後端真實服務器（Real Server，簡稱 RS）；
3. 真實服務器處理請求後，將響應流量返回給 LVS 調度器（因真實服務器網關指向 LVS）；
4. LVS 調度器對響應流量做地址轉換，最終返回給客户端。

3. NAT 模式優缺點

• ✅ 優點：配置簡單，真實服務器無需修改網絡配置，僅需指定網關即可；
• ⚠️ 缺點：所有進出流量均需經過 LVS 調度器，LVS 易成為流量瓶頸，不適合超大規模併發場景。

二、實驗環境規劃

本次搭建需 3 台 CentOS 7 服務器，角色、主機名、IP 地址規劃如下表所示（LVS 公私網 IP 一致）：

三、步驟 1：準備後端 Web 服務器

若尚未部署 Web 服務，需在 web1 和 web2 上分別搭建簡單 Web 頁面（以 Apache 為例），確保後端服務可正常響應請求：

1. 在 web1 上執行

bash

# 安裝 Apache 服務（從 CentOS 官方 YUM 源獲取）
yum install -y httpd

# 創建 Web 首頁（標識 web1，便於測試時區分節點）
echo "<h1>Welcome to web1</h1>" > /var/www/html/index.html

# 啓動 Apache 並設置開機自啓（確保服務器重啓後服務自動運行）
systemctl start httpd
systemctl enable httpd

2. 在 web2 上執行

僅需將 Web 首頁內容改為 Welcome to web2，其餘命令與 web1 一致：

bash

yum install -y httpd
echo "<h1>Welcome to web2</h1>" > /var/www/html/index.html
systemctl start httpd
systemctl enable httpd

3. 驗證 Web 服務

在 LVS 調度器或其他內網機器上，通過內網 IP 訪問 web1 和 web2，確認頁面正常返回：

bash

# 訪問 web1（應返回 web1 標識頁面）
curl http://10.0.0.2

# 訪問 web2（應返回 web2 標識頁面）
curl http://10.0.0.3

四、步驟 2：配置 LVS 調度器（Director）

LVS 調度器是整個負載均衡集羣的核心，需完成工具安裝、IP 轉發啓用、防火牆配置三個關鍵操作，確保數據包能正常轉發。

1. 安裝 LVS 管理工具

LVS 內核模塊（IPVS）默認已集成到 CentOS 7 內核中，無需額外安裝，僅需安裝用户態管理工具 ipvsadm：

bash

yum install -y ipvsadm

2. 啓用 IP 轉發（關鍵！）

LVS 作為調度器，需開啓內核 IP 轉發功能，否則無法將客户端請求轉發至後端真實服務器：

bash

# 臨時啓用 IP 轉發（重啓後失效，用於快速測試）
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

# 永久啓用 IP 轉發（修改配置文件，重啓後仍生效）
echo 'net.ipv4.ip_forward = 1' >> /etc/sysctl.conf

# 使配置立即生效
sysctl -p

# 驗證 IP 轉發是否啓用（輸出 1 表示已啓用）
sysctl net.ipv4.ip_forward

3. 設置防火牆（可選）

若系統啓用了 firewalld，需開放 80 端口（Web 服務默認端口），或臨時關閉防火牆（僅測試環境推薦）：

bash

# 方案 1：開放 80 端口（推薦，生產環境適用）
firewall-cmd --permanent --add-port=80/tcp
firewall-cmd --reload

# 方案 2：臨時關閉 firewalld（測試環境適用，簡化配置）
systemctl stop firewalld

五、步驟 3：配置 LVS 虛擬服務（NAT 模式）

通過 ipvsadm 命令創建 LVS 虛擬服務規則，指定 VIP、調度算法和後端真實服務器，實現請求分發：

bash

# 1. 清空現有 LVS 規則（首次配置可省略，避免舊規則干擾）
ipvsadm -C

# 2. 添加虛擬服務：VIP 為 10.0.0.1，端口 80，調度算法為輪詢（rr）
ipvsadm -A -t 10.0.0.1:80 -s rr

# 3. 添加後端真實服務器（-m 表示 NAT 模式）
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.2:80 -m  # 添加 web1 節點
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.3:80 -m  # 添加 web2 節點

關鍵參數説明

六、步驟 4：配置真實服務器網關（關鍵！）

NAT 模式要求真實服務器的默認網關指向 LVS 調度器的 IP（10.0.0.1），否則真實服務器的響應流量無法返回給 LVS，客户端將收不到響應。

1. 在 web1 和 web2 上修改網關

bash

# 編輯網卡配置文件（假設網卡為 eth0，實際需根據服務器網卡名稱調整，可通過 ip addr 查看）
vi /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0

# 在文件末尾添加網關配置（指向 LVS 調度器 IP）
GATEWAY=10.0.0.1

2. 重啓網絡服務生效

bash

systemctl restart network

3. 驗證網關配置

bash

# 查看默認網關，輸出應包含"default via 10.0.0.1 dev eth0"
ip route show default

七、步驟 5：測試負載均衡效果

配置完成後，需驗證 LVS 是否能將請求均勻分發到後端兩台真實服務器。

1. 命令行測試（推薦）

在任意客户端（或 LVS 調度器本機）執行循環請求 VIP，觀察返回結果是否交替顯示 web1 和 web2 的頁面：

bash

# 循環請求 10 次 VIP（10.0.0.1）
for i in {1..10}; do
  curl -s http://10.0.0.1
done

預期輸出（輪詢交替）：

plaintext

<h1>Welcome to web1</h1>
<h1>Welcome to web2</h1>
<h1>Welcome to web1</h1>
<h1>Welcome to web2</h1>
...

2. 瀏覽器測試

打開瀏覽器，訪問 http://10.0.0.1，多次刷新頁面，觀察頁面內容是否交替變化（若瀏覽器緩存影響，可開啓無痕模式測試）。

八、步驟 6：持久化 LVS 規則（開機自啓）

LVS 規則默認保存在內存中，服務器重啓後規則會丟失。需通過 systemd 創建服務，實現 LVS 規則開機自動加載，確保服務穩定性。

1. 創建 LVS 服務文件

bash

cat > /etc/systemd/system/lvs.service <<EOF
[Unit]
Description=LVS Load Balancer (NAT Mode)
After=network.target  # 網絡服務啓動後再啓動 LVS 服務

[Service]
Type=oneshot  # 一次性執行服務
# 啓動時清空舊規則並重新創建 LVS 規則（與步驟 3 配置一致）
ExecStart=/sbin/ipvsadm -C && \
         /sbin/ipvsadm -A -t 10.0.0.1:80 -s rr && \
         /sbin/ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.2:80 -m && \
         /sbin/ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 10.0.0.3:80 -m
RemainAfterExit=yes  # 執行完成後保持服務活躍狀態

[Install]
WantedBy=multi-user.target  # 多用户模式下啓動
EOF

2. 啓用並啓動服務

bash

# 重新加載 systemd 配置（識別新創建的服務）
systemctl daemon-reload

# 設置開機自啓（服務器重啓後自動加載 LVS 規則）
systemctl enable lvs

# 啓動服務（立即加載 LVS 規則）
systemctl start lvs

# 驗證服務狀態（輸出 active 表示正常）
systemctl status lvs

九、常用命令與排錯

1. 常用 LVS 管理命令

2. 常見問題排查

問題 1：訪問 VIP 無響應

• 檢查 LVS 調度器的安全組是否開放 80 端口（雲服務器場景）；
• 檢查 LVS 調度器的防火牆是否放行 80 端口（firewall-cmd --list-ports）；
• 檢查真實服務器的網關是否正確指向 LVS 的 IP（10.0.0.1）；
• 檢查真實服務器的 Web 服務是否正常運行（systemctl status httpd）。

問題 2：只有一台後端 RS 響應

• 檢查 LVS 規則是否包含兩台 RS（ipvsadm -ln）；
• 檢查未響應的 RS 的 Web 服務是否正常（curl http://RS_IP）；
• 檢查未響應的 RS 的網關是否正確配置（ip route show default）。

問題 3：連接超時

• 在 LVS 調度器上使用 tcpdump 抓包分析流量路徑，例如： bash

# 抓取與 web1（10.0.0.2）相關的 80 端口流量
tcpdump -i eth0 host 10.0.0.2 and port 80

• 檢查 LVS 與 RS 之間的網絡是否通暢（ping 10.0.0.2、ping 10.0.0.3）。

十、總結與進階建議

1. 總結

本文完整演示了在 CentOS 7 上從零搭建 LVS 負載均衡集羣（NAT 模式）的流程，核心亮點：

• LVS 工作在傳輸層，內核級轉發，低延遲、高吞吐，適合高併發場景；
• NAT 模式配置簡單，無需修改後端 RS 的網絡架構，僅需指定網關即可快速部署；
• LVS 公私網 IP 統一為 10.0.0.1，簡化網絡配置，降低入門門檻；
• 通過 systemd 實現 LVS 規則開機自啓，確保服務重啓後仍能正常工作。

同時需注意，NAT 模式的侷限性在於 LVS 調度器會成為流量瓶頸，所有進出流量均需經過調度器，不適合超大規模集羣。

2. 進階學習方向

• 🔄 切換至 LVS-DR 模式（Direct Routing）：DR 模式下，RS 直接將響應流量返回給客户端，繞過 LVS 調度器，突破 NAT 模式的性能瓶頸，適合大規模集羣；
• 🛡️ 集成 Keepalived：實現 LVS 調度器的高可用（主備自動切換），避免 LVS 單點故障，確保負載均衡服務不中斷；
• 📊 監控與運維：結合 Prometheus + Node Exporter + Grafana 監控 LVS 的連接數、轉發效率、後端 RS 狀態等指標，實時掌握集羣運行狀態，及時發現並處理異常。

總結

LVS 作為內核級負載均衡方案，憑藉其高性能、低資源佔用的優勢，成為高併發場景的核心組件。本文通過 NAT 模式的實戰部署，幫助快速理解 LVS 的工作原理和配置邏輯，適合作為負載均衡進階學習的基礎。

後續可根據業務規模，靈活選擇 LVS 模式（NAT/DR/TUN），並結合 Keepalived、監控工具等，構建更穩定、可擴展的高可用架構。