Linux服务器集群系统之通过NAT实现虚拟服务器(VS/NAT)
Linux服务器集群系统是当代许多公司采用的解决方案，Linux服务器集群通过多台机器连接起来，处理复杂的问题。可以将同构或者异构的计算机连接起来，协同完成特定的任务。这样就构成了集群。LVS是Linux virtual server的缩写，他的意思是Linux虚拟机服务。本文主要介绍的是基于Linux服务器下的集群系统之通过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
VS/NAT的配置如下表所示，所有到IP地址为202.103.106.5和端口为80的流量都被负载均衡地调度的真实服务器172.16.0.2:80和172.16.0.3:8000上。目标地址为202.103.106.5:21的报文被转移到172.16.0.3:21上。而到其他端口的报文将被拒绝。
| 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 |
从以下的例子中，我们可以更详细地了解报文改写的流程。
访问Web服务的报文可能有以下的源地址和目标地址：
| SOURCE | 202.100.1.2:3456 | DEST | 202.103.106.5:80 |
调度器从调度列表中选出一台服务器，例如是172.16.0.3:8000。该报文会被改写为如下地址，并将它发送给选出的服务器。
| SOURCE | 202.100.1.2:3456 | DEST | 172.16.0.3:8000 |
从服务器返回到调度器的响应报文如下：
| SOURCE | 172.16.0.3:8000 | DEST | 202.100.1.2:3456 |
响应报文的源地址会被改写为虚拟服务的地址，再将报文发送给客户：
| SOURCE | 202.103.106.5:80 | DEST | 202.100.1.2:3456 |
这样，客户认为是从202.103.106.5:80服务得到正确的响应，而不会知道该请求是服务器172.16.0.2还是服务器172.16.0.3处理的。
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