四层负载均衡（LVS/DPVS）

四层负载均衡工作在 TCP/UDP 层，仅解析 IP + 端口信息，然后根据负载均衡算法将请求转发到后端节点。相比七层负载均衡，四层负载均衡的性能极高，单实例可达百万级 CPS，是互联网入口流量的首选方案。

LVS 概述

LVS（Linux Virtual Server）是 Linux 内核层面的负载均衡解决方案，由章文嵩博士于 1998 年开发，是国内互联网最广泛使用的四层负载均衡技术。

flowchart TB
    subgraph LVS["LVS 架构"]
        subgraph Input["流入路径"]
            CI["客户端 IP"]
            CIP["客户端 Port"]
        end

        subgraph IPVS["IPVS 内核模块"]
            LB["负载均衡器"]
            Algo["调度算法"]
        end

        subgraph Output["转发路径"]
            RIP["真实服务器 IP"]
            RPort["真实 Port"]
        end
    end

    CI --> LB
    LB --> Algo
    Algo --> RIP

LVS 的核心是 IPVS 内核模块，它工作在内核空间，性能极高：

请求转发：在内核层面完成，不经过用户态
连接管理：维护 TCP 连接状态
算法调度：执行负载均衡算法

LVS 三种转发模式

LVS 支持三种转发模式，每种模式有不同的适用场景：

模式	全称	原理	适用场景
NAT	Network Address Translation	修改请求/响应 IP 地址	通用场景
DR	Direct Routing	修改 MAC 地址	性能要求高
IP Tunnel	IP Tunneling	IP 隧道封装	跨网段部署

NAT 模式

NAT 模式通过修改 IP 地址实现负载均衡：

sequenceDiagram
    participant C as 客户端
    participant LB as LVS 负载均衡器
    participant RS as 真实服务器

    Note over C,RS: 客户端请求
    C->>LB: CIP -> VIP:80 (请求)
    Note over LB: 修改 DIP -> RIP:80
    LB->>RS: CIP -> RIP:80 (请求)
    RS-->>LB: RIP -> DIP:任意端口 (响应)
    Note over LB: 修改 DIP -> VIP, 端口 -> 源端口
    LB-->>C: 任意端口 -> CIP (响应)

特点：

负载均衡器需要处理进出两个方向
出口带宽可能成为瓶颈
配置简单，适合内网场景

# NAT 模式配置示例
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr    # 添加虚拟服务（轮询）
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.0.1.1:80 -m   # 添加真实服务器（NAT 模式）
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.0.1.2:80 -m

DR 模式（Direct Routing）

DR 模式通过修改 MAC 地址实现负载均衡，请求经过负载均衡器，响应直接由真实服务器返回：

sequenceDiagram
    participant C as 客户端
    participant LB as LVS 负载均衡器
    participant RS as 真实服务器

    Note over C,RS: 客户端请求
    C->>LB: CIP -> VIP:80 (请求)
    Note over LB: 源 MAC -> LB, 目标 MAC -> RS
    LB->>RS: CIP -> VIP:80 (请求)
    Note over RS: RS 需要配置 VIP lo 回环
    RS-->>C: VIP -> CIP:80 (响应直接返回)

    Note over C,RS: 响应不经过 LB

特点：

响应不经过负载均衡器，性能极高
负载均衡器无出口带宽瓶颈
真实服务器需要配置 VIP（虚拟 IP）

# DR 模式配置示例
# LVS 服务器
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.0.1.1:80 -g   # -g 表示 DR 模式

# 真实服务器配置（需要绑定 VIP 到 lo）
ifconfig lo:0 192.168.1.100 netmask 255.255.255.255

IP Tunnel 模式

IP Tunnel 模式通过 IP 隧道封装实现跨网段负载均衡：

flowchart LR
    subgraph Client["客户端网络"]
        C["客户端"]
    end

    subgraph LB["LVS 网络"]
        LB["LVS 负载均衡器"]
    end

    subgraph RS["真实服务器网络"]
        RS1["RS1"]
        RS2["RS2"]
    end

    C -->|"请求"| LB
    LB -->|"隧道封装"| RS1
    LB -->|"隧道封装"| RS2
    RS1 -->|"隧道解封"| C
    RS2 -->|"隧道解封"| C

特点：

适合跨网段部署（不同机房）
性能比 NAT 稍低，但高于 DR
需要隧道协议支持

三种模式对比

维度	NAT	DR	IP Tunnel
IP 修改	IP + Port	MAC	IP 隧道封装
响应路径	经过 LB	直接返回客户端	直接返回客户端
性能	中	高	中高
网络要求	同网段	同网段	可跨网段
配置复杂度	低	中	高
适用场景	内网、测试环境	高性能 Web 服务	多机房部署

LVS 调度算法

LVS 支持多种调度算法：

轮询（RR）

ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr   # 轮询

每个请求依次分发到不同的服务器，适合服务器性能一致的场景。

加权轮询（WRR）

ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s wrr
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.0.1.1:80 -w 3
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.0.1.2:80 -w 1

节点 1 每 3 次请求被选中一次，节点 2 每 1 次请求被选中一次。

最小连接数（LC）

ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s lc

选择当前连接数最少的服务器，适合长连接场景。

加权最小连接数（WLC）

ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s wlc

考虑服务器权重和当前连接数，公式：

选择 (活动连接数 * 256 + 非活动连接数) / 权重 最小的服务器

DPVS：高性能负载均衡

DPVS（DPDK Virtual Package Switch）是基于 DPDK 实现的高性能负载均衡器，相比传统 LVS 有显著性能提升：

指标	LVS	DPVS
转发模式	内核态	用户态 + DPDK
包处理	内核网络栈	DPDK 无锁环形队列
CPS	10~50 万	100~500 万
内存	内核内存	用户态大页内存
CPU 利用率	较高	较低

flowchart TB
    subgraph DPDK["DPDK 架构"]
        subgraph NIC["网卡（支持 DPDK）"]
            RX["收包队列"]
            TX["发包队列"]
        end

        subgraph DPDK_Mem["DPDK 内存"]
            MB["MBuf（大页内存）"]
        end

        subgraph DPVS["DPVS"]
            PMD["PMD 驱动"]
            LB["负载均衡"]
            Algo["调度算法"]
        end
    end

    RX --> PMD
    PMD --> MB
    MB --> LB
    LB --> Algo
    Algo --> TX

DPVS 的核心优势：

DPDK：绕过内核网络栈，直接操作网卡
大页内存：减少 TLB miss，提高缓存命中率
无锁队列：多核间通信无锁化

四层负载均衡的特点

优点

优点	说明
性能极高	单实例可达百万级 CPS
延迟低	纯内核转发，无协议解析开销
稳定可靠	内核级实现，经过多年生产验证
抗 DDoS	可以抵御 SYN Flood 等网络攻击

缺点

缺点	说明
功能单一	无法感知应用层信息
不支持路径路由	只能做端口级别转发
配置复杂	NAT/DR/IP Tunnel 模式配置各异
健康检查简单	只支持 TCP 端口检测

生产环境配置示例

# 完整的 LVS DR 模式配置脚本
#!/bin/bash

# VIP（虚拟 IP）
VIP="192.168.1.100"
VIP_MASK="255.255.255.255"
VIP_IF="eth0"

# RS 列表
RS1="10.0.1.1"
RS2="10.0.1.2"
RS_PORT="80"
RS_WEIGHT1="3"
RS_WEIGHT2="1"

# 清理旧配置
ipvsadm -C

# 添加虚拟服务（加权轮询）
ipvsadm -A -t ${VIP}:${RS_PORT} -s wrr -p 60

# 添加真实服务器（DR 模式）
ipvsadm -a -t ${VIP}:${RS_PORT} -r ${RS1}:${RS_PORT} -g -w ${RS_WEIGHT1}
ipvsadm -a -t ${VIP}:${RS_PORT} -r ${RS2}:${RS_PORT} -g -w ${RS_WEIGHT2}

# 开启路由转发
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

# 配置 VIP
ifconfig ${VIP_IF}:0 ${VIP} netmask ${VIP_MASK} broadcast ${VIP} up
route add -host ${VIP} dev ${VIP_IF}:0

# 查看配置
ipvsadm -L -n

总结

四层负载均衡是互联网入口流量的核心组件，LVS 是最成熟的实现：

NAT 模式：修改 IP 地址，配置简单，适合内网
DR 模式：修改 MAC，响应直连，性能最高
IP Tunnel 模式：IP 隧道封装，支持跨网段

LVS 的调度算法：

轮询/加权轮询：静态分配，简单可靠
最小连接数/加权最小连接数：动态感知负载

DPVS 是基于 DPDK 的高性能方案，适合超大流量场景。

下一节我们将介绍七层负载均衡——Nginx 和 HAProxy。

#四层负载均衡（LVS/DPVS）

#LVS 概述

#LVS 三种转发模式

#NAT 模式

#DR 模式（Direct Routing）

#IP Tunnel 模式

#三种模式对比

#LVS 调度算法

#轮询（RR）

#加权轮询（WRR）

#最小连接数（LC）

#加权最小连接数（WLC）

#DPVS：高性能负载均衡

#四层负载均衡的特点

#优点

#缺点

#生产环境配置示例

#总结