負載均衡原理與實踐詳解 第五篇 負載均衡時數據包流程詳解
系列文章：
負載均衡詳解第三篇：服務器負載均衡的基本概念-使用負載均衡器的服務器群
負載均衡詳解第四篇：服務器負載均衡的基本概念-負載均衡時數據包流程
負載均衡詳解第六篇：服務器負載均衡的基本概念-網絡地址轉換(NAT)
負載均衡詳解第七篇：服務器負載均衡的基本概念-服務器直接返回
負載均衡詳解第十篇：服務器負載均衡技術進階-會話保持（下）
我們以下圖為例，討論采用負載均衡器后數據包的流程。
如圖所示，有三台服務器，RS1到RS3，還包含三種應用：Web(HTTP)，FTP，和SMTP，分別在三台服務器上運行。在這個例子中，所有的應用都運行在TCP之上，而且每個應用都使用不同的TCP端口。WEB應用在80端口上運行，FTP在21端口上運行，而SMTP在端口25上運行。負載均衡器根據接收的TCP數據包中的目的端口號識別客戶端需要訪問的應用，並為每個客戶請求選擇合適的服務器。
選擇服務的過程分兩步，第一，負載均衡器必須判斷哪些服務器上面的應用是可用的。服務器和應用是否可用由健康檢查決定，我們將會在后面的章節中詳細討論。第二，負載均衡器采用一種負載均衡算法來選擇服務器。常用的復雜均衡算法有輪循、最小連接數、權重、最快響應時間等，負載均衡算法將會在后面的章節詳細討論。
負載均衡器的配置包括以下幾個步驟：
1．定義一個VIP：VIP=123.122.121.1；
2．確定哪些應用需要負載均衡：Web、FTP和SMTP；
3．對每個應用，綁定VIP到相應的真實服務器：把RS1和RS2綁定到Web的VIP；把RS1綁定到FTP的VIP；把RS2和RS3綁定到SMTP的VIP。也就是說，VIP的80端口綁定到RS1和RS2的80端口；VIP的21端口綁定到RS1的21端口，依此類推，如上圖所示；
4．設置健康檢查，用來檢查服務器和應用的健康狀態；
5．設置負載均衡算法。 通過把VIP綁定到真實服務器的不同TCP端口，我們把服務器和應用分離開，提供了強大的靈活性。舉例來說，如果FTP應用的訪問量增加，只需要把另外一台服務器綁定到VIP的21端口就可以增加FTP服務的處理能力。如果RS2需要下線維護，我們可以利用負載均衡器實現RS2的無縫停機，也就是停止向RS2發送任何新的請求，並等待所有的在線連接關閉，然后將RS2停機。
注意示例中所有的真實服務器都使用私有IP地址，這樣做有兩個好處：首先，只用一個公網IP地址，也就是VIP，來表示所有的服務器群可以節省IP地址空間；第二，提高了安全性，任何客戶的請求都不能繞過負載均衡器直接訪問到服務器。
對於負載均衡器能夠做什么，現在我們都了解了，下面看一下采用負載均衡器后數據包的轉發流程。
我們用一個簡單例子，如下圖所示，來了解請求響應過程中數據包的轉發流程。
客戶端首先建立一個TCP連接，發送HTTP請求，接收服務器響應，並關閉這個TCP連結。建立TCP連接需要三次握手，負載均衡器接收到的TCP SYN請求包含以下信息：
源IP地址：客戶端的IP地址；
源端口：客戶端用於此TCP連接的端口號碼；
目的IP地址：VIP地址；
目的端口：由於請求訪問的是WEB應用，所以目的端口是80。
上述四個因素唯一標識了一個TCP會話，當負載均衡器接收到第一個TCP SYN數據包后，假定選擇RS2處理這個請求，並將請求發送到RS2。為了讓RS2接收TCP SYN數據包並進行處理，必須把數據包的目的地址修改為RS2的私有IP地址，而不是VIP的IP地址。因此，負載均衡器在轉發數據包之前會把目的地址修改為RS2的IP地址，這個IP地址轉換的過程稱為網絡地址轉換(NAT)。更確切的講，由於負載均衡器修改的是目的地址，所以也稱為目的地址NAT。
當用戶敲入www.agilesharp.com之后，瀏覽器會產生一個DNS查詢請求，獲取www.agilesharp.com對應的IP地址，也就是VIP。然后客戶端的瀏覽器發送TCP SYN數據包以建立一個新的TCP聯接。當負載均衡器接收TCP SYN數據包后，它先確認這個請求是需要做負載均衡的數據包，因為數據包的目的地址是VIP。由於這是一個新的連接，負載均衡器無法在會話表中通過源IP地址、目的IP地址、源端口地址、目的端口地址查到這一個會話。根據負載均衡設置和健康檢查的結果，負載均衡器確認RS1和RS2可以接收新建連接。根據預先定義的負載均衡算法，負載均衡器選擇RS2來處理這個會話請求。服務器選定之后，負載均衡器在它的會話表中建立一個新的記錄，並把數據包的目的IP地址和目的MAC地址修改為服務器RS2的IP地址和MAC地址，然后把數據包發送到RS2。
當接收到TCP SYN包之后，RS2會應答TCP SYN ACK包，數據包的源地址是RS2的IP地址，而目的地址就是客戶端的IP地址。負載均衡器接收到這個數據包之后，再把RS2的IP地址修改為VIP的IP地址，並把數據包發送到路由器，最終路由到客戶端。這個TCP會話后續所有的請求和回應數據包都是經過同樣的流程。最終，當通過FIN或RESET結束或終止這個連接時，負載均衡器在其會話表中刪除這個會話記錄。
現在我們來跟蹤數據包的流程，看一下IP地址和MAC地址是如何改變的。當路由器接收到數據包時，數據包的目的IP地址是VIP，而目的MAC地址是M1，也就是路由器的MAC地址。
第一步，如上圖中所示，路由器把目的MAC地址修改為M2並把數據包發送到負載均衡器，M2是負載均衡器的MAC地址。
第二步，負載均衡器把目的IP地址和目的MAC地址修改為RS2的IP地址和MAC地址，並發送到RS2。
第三步，RS2響應客戶端的請求。因此，源IP和源MAC都是RS2的地址，而目的IP地址是客戶端的IP地址。RS1和RS2的缺省網關是負載均衡器的IP地址。因此，目的MAC地址是負載均衡器的MAC地址。
第四步，負載均衡器接收數據包之后，把源IP地址修改為VIP的地址，使得回應看起來跟VIP發出的一樣。這一點非常重要，TCP連接是建立在客戶端和VIP之間的，並不是真實服務器，所以回應的數據包必須看起來象是從VIP發出的一樣。為了數據包能夠正常到達客戶端，負載均衡器需要把數據包轉發給它的下一跳，也就是路由器。負載均衡器把源MAC地址修改為自己的MAC地址M2，目的MAC地址修改為路由器的MAC地址M1，然后把數據包轉發至路由器。
在這個例子中，負載均衡器作為真實服務器的缺省網關。其實，也可以用路由器作為服務器的缺省網關。那樣的話，從真實服務器返回的數據包的目的MAC地址為M1，也就是路由器的MAC地址，而負載均衡器對源MAC和目的MAC不做任何改動。對於其他的二、三層交換機和主機而言，負載均衡器就相當於一個二層交換機。
本篇就討論到這里！下一篇，我們繼續！