四层负载均衡的NAT模型与DR模型推导 | 京东物流技术团队

导读

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四层负载均衡器的NAT模型和DR模型的工作原理。通过本文可以了解到四层负载均衡的技术特点、NAT模型和DR模型的工作原理、以及NAT模型和DR模型的优缺点。读者可以重点关注NAT模型到DR模型演进的原因(一种技术的诞生肯定是为了弥补现有技术的不足)。除此之外，读者可以多多关注一些基本的、底层的知识，比如内核空间、用户空间、计算机网络等。为了叙述方便，文中将“四层负载均衡器” 简称为“FLB” (Four-tier Load Balancer)。

一、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。

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其中CIP为客户端的ip，RIP为RS的ip。

二、四层负载均衡技术的特点

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。

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。

三、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？

四、NAT模型

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。

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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。

NAT模型的弊端

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。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。

五、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：

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。
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）。
基于上述内容：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。

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