Linux服務器集群系統之通過NAT實現虛擬服務器(VS/NAT)
Linux服務器集群系統是當代許多公司采用的解決方案，Linux服務器集群通過多臺機器連接起來，處理復雜的問題。可以將同構或者異構的計算機連接起來，協同完成特定的任務。這樣就構成了集群。LVS是Linux virtual server的縮寫，他的意思是Linux虛擬機服務。本文主要介紹的是基于Linux服務器下的集群系統之通過NAT實現虛擬服務器(VS/NAT)。
由于IPv4中IP地址空間的日益緊張和安全方面的原因，很多網絡使用保留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]。這些地址不在Internet上使用，而是專門為內部網絡預留的。當內部網絡中的主機要訪問Internet或被Internet訪問時，就需要采用網絡地址轉換(Network Address Translation, 以下簡稱NAT)，將內部地址轉化為Internets上可用的外部地址。NAT的工作原理是報文頭(目標地址、源地址和端口等)被正確改寫后，客戶相信它們連接一個IP地址，而不同IP地址的服務器組也認為它們是與客戶直接相連的。由此，可以用NAT方法將不同IP地址的并行網絡服務變成在一個IP地址上的一個虛擬服務。
VS/NAT的體系結構如圖2所示。在一組服務器前有一個調度器，它們是通過Switch/HUB相連接的。這些服務器提供相同的網絡服務、相同的內容，即不管請求被發送到哪一臺服務器，執行結果是一樣的。服務的內容可以復制到每臺服務器的本地硬盤上，可以通過網絡文件系統(如NFS)共享，也可以通過一個分布式文件系統來提供。
圖2：VS/NAT的體系結構
客戶通過Virtual IP Address(虛擬服務的IP地址)訪問網絡服務時，請求報文到達調度器，調度器根據連接調度算法從一組真實服務器中選出一臺服務器，將報文的目標地址Virtual IP Address改寫成選定服務器的地址，報文的目標端口改寫成選定服務器的相應端口，最后將修改后的報文發送給選出的服務器。同時，調度器在連接Hash表中記錄這個連接，當這個連接的下一個報文到達時，從連接Hash表中可以得到原選定服務器的地址和端口，進行同樣的改寫操作，并將報文傳給原選定的服務器。當來自真實服務器的響應報文經過調度器時，調度器將報文的源地址和源端口改為Virtual IP Address和相應的端口，再把報文發給用戶。我們在連接上引入一個狀態機，不同的報文會使得連接處于不同的狀態，不同的狀態有不同的超時值。在TCP連接中，根據標準的TCP有限狀態機進行狀態遷移，這里我們不一一敘述，請參見W. Richard Stevens的《TCP/IP Illustrated Volume I》;在UDP中，我們只設置一個UDP狀態。不同狀態的超時值是可以設置的，在缺省情況下，SYN狀態的超時為1分鐘，ESTABLISHED狀態的超時為15分鐘，FIN狀態的超時為1分鐘;UDP狀態的超時為5分鐘。當連接終止或超時，調度器將這個連接從連接Hash表中刪除。
這樣，客戶所看到的只是在Virtual IP Address上提供的服務，而服務器集群的結構對用戶是透明的。對改寫后的報文，應用增量調整Checksum的算法調整TCP Checksum的值，避免了掃描整個報文來計算Checksum的開銷。
在一些網絡服務中，它們將IP地址或者端口號在報文的數據中傳送，若我們只對報文頭的IP地址和端口號作轉換，這樣就會出現不一致性，服務會中斷。所以，針對這些服務，需要編寫相應的應用模塊來轉換報文數據中的IP地址或者端口號。我們所知道有這個問題的網絡服務有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，舉個例子來進一步說明VS/NAT，如圖3所示：
圖3：VS/NAT的例子
VS/NAT的配置如下表所示，所有到IP地址為202.103.106.5和端口為80的流量都被負載均衡地調度的真實服務器172.16.0.2:80和172.16.0.3:8000上。目標地址為202.103.106.5:21的報文被轉移到172.16.0.3:21上。而到其他端口的報文將被拒絕。
| Protocol | Virtual IP Address | Port | Real IP Address | Port | Weight |
| TCP | 202.103.106.5 | 80 | 172.16.0.2 | 80 | 1 |
| 172.16.0.3 | 8000 | 2 | |||
| TCP | 202.103.106.5 | 21 | 172.16.0.3 | 21 | 1 |
從以下的例子中，我們可以更詳細地了解報文改寫的流程。
訪問Web服務的報文可能有以下的源地址和目標地址：
| SOURCE | 202.100.1.2:3456 | DEST | 202.103.106.5:80 |
調度器從調度列表中選出一臺服務器，例如是172.16.0.3:8000。該報文會被改寫為如下地址，并將它發送給選出的服務器。
| SOURCE | 202.100.1.2:3456 | DEST | 172.16.0.3:8000 |
從服務器返回到調度器的響應報文如下：
| SOURCE | 172.16.0.3:8000 | DEST | 202.100.1.2:3456 |
響應報文的源地址會被改寫為虛擬服務的地址，再將報文發送給客戶：
| SOURCE | 202.103.106.5:80 | DEST | 202.100.1.2:3456 |
這樣，客戶認為是從202.103.106.5:80服務得到正確的響應，而不會知道該請求是服務器172.16.0.2還是服務器172.16.0.3處理的。
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