IPVS源码分析

### IPVS源码分析 #### 一、引言与背景 IPVS（Internet Protocol Virtual Server）作为LVS（Linux Virtual Server）项目的核心组件之一，由章文嵩先生领导开发，并在2.2内核版本中首次以补丁的形式出现。随着技术的发展与进步，IPVS在Red Hat 6.1及后续版本中被正式集成，从2.4.24内核版本开始成为Linux官方内核的一部分。相较于早期版本，IPVS在2.4内核之后开始借鉴了Netfilter的部分机制，但在整体上仍然保持相对独立的设计思路。 IPVS的主要作用在于实现高效的负载均衡服务，能够支持多种负载均衡策略，如NAT（Network Address Translation）、Tunneling以及Direct Routing等。这些技术手段不仅极大地提升了系统的性能，同时也为构建高度可用的服务集群提供了坚实的基础。 #### 二、IPVS的外部表现与负载均衡模式 根据LVS官方网站提供的信息，IPVS支持三种负载均衡模式： 1. **NAT（Network Address Translation）**：这是一种通用的负载均衡模式，在这种模式下，所有的客户端请求和服务器响应都必须经过负载均衡器进行地址转换。这种方式适用于大多数场景，但会增加一定的网络延迟。 2. **Tunneling**：在此模式中，客户端的请求通过负载均衡器发送至后端服务器，而后端服务器的响应则通过隧道直接返回给客户端。这种方式的优势在于能够跨越不同网络，但可能会带来额外的封装开销。 3. **Direct Routing（DR）**：DR模式通过修改数据包的MAC地址实现直接路由。这种方式要求负载均衡器与后端服务器位于同一个物理网络中，从而避免了NAT模式下的地址转换过程，有效降低了延迟。 #### 三、重要结构分析——IPVS协议结构 在IPVS内部，存在一个重要的结构体`struct ip_vs_protocol`，用于描述IPVS所支持的IP协议。该结构体包括了以下几个关键字段： - **`struct ip_vs_protocol *next;`**：指向下一个协议结构的指针。 - **`char *name;`**：协议的名称，例如"TCP"或"UDP"。 - **`__u16 protocol;`**：协议的数值标识符，例如TCP对应6，UDP对应17。 - **`int dont_defrag;`**：标志位，表示是否允许分片。 - **`atomic_t appcnt;`**：应用计数器，记录使用该协议的应用数量。 - **`int *timeout_table;`**：超时数组，用于管理协议的各种状态超时时间。 - **`void (*init)(struct ip_vs_protocol *pp);`**：协议初始化函数指针。 - **`void (*exit)(struct ip_vs_protocol *pp);`**：协议释放函数指针。 - **`int (*conn_schedule)(struct sk_buff *skb, struct ip_vs_protocol *pp, int *verdict, struct ip_vs_conn **cpp);`**：连接调度函数指针，负责根据特定规则选择合适的后端服务器。 - **`struct ip_vs_conn * (*conn_in_get)(const struct sk_buff *skb, struct ip_vs_protocol *pp, const struct iphdr *iph, unsigned int proto_off, int inverse);`**：获取入站连接函数指针，用于查找与特定数据包匹配的入站连接。 - **`struct ip_vs_conn * (*conn_out_get)(const struct sk_buff *skb, struct ip_vs_protocol *pp, const struct iphdr *iph, unsigned int proto_off, int inverse);`**：获取出站连接函数指针，用于查找与特定数据包匹配的出站连接。 - **`int (*snat_handler)(struct sk_buff **pskb, struct ip_vs_protocol *pp, struct ip_vs_conn *cp);`**：源地址转换处理函数指针，负责对数据包进行源地址转换。 - **`int (*dnat_handler)(struct sk_buff **pskb, struct ip_vs_protocol *pp, struct ip_vs_conn *cp);`**：目的地址转换处理函数指针，负责对数据包进行目的地址转换。 - **`int (*csum_check)(struct sk_buff *skb, struct ip_vs_protocol *pp);`**：校验和检查函数指针，用于验证数据包的完整性。 - **`const char *(*state_name)(int state);`**：状态名称函数指针，返回当前协议状态的字符串表示。 - **`int (*state_transition)(struct ip_vs_conn *cp, int direction, const struct sk_buff *skb, struct ip_vs_protocol *pp);`**：状态迁移函数指针，用于管理连接的状态变化。 - **`int (*register_app)(struct ip_vs_app *inc);`**：应用注册函数指针，用于向IPVS注册新的应用程序。 - **`void (*unregister_app)(struct ip_vs_app *in);`**：应用注销函数指针，用于从IPVS中移除已注册的应用程序。 通过以上结构体定义可以看出，IPVS不仅支持常见的TCP和UDP协议，还提供了AH（Authentication Header）和ESP（Encapsulating Security Payload）这两种IP层协议的支持，为用户提供更加灵活多样的负载均衡方案。此外，通过定义各种回调函数指针，IPVS能够高效地管理和调度连接，实现高性能的负载均衡服务。