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DNS+Anycast 均衡负载实战(IPV4)

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DNS+Anycast 均衡负载实战(IPV4)我们建立了一个IP为6.6.6.6内网DNS服务器群，所在网段为10.211.77.0/24，而我们要实现的是在PC端（网段10.211.66.0/24）能ping通6.6.6.6，同时执行命令digwww.baidu.com@6.6.6.6A，能得到文章最开始的dig8.8.8.8类似的返回结果。

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

DNS+Anycast 均衡负载实战（IPV4）

我们都知道google的公共DNS为:8.8.8.8，甚至我们可以在全球任何地方都能ping通这个IP或者通过dig能解析域名，例如如下操作:

# dig www.baidu.com @8.8.8.8 A

; <<>> DiG 9.10.6 <<>> www.baidu.com @8.8.8.8 A
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 53023
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 4, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 1

;; OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 512
;; QUESTION SECTION:
;www.baidu.com.			IN	A

;; ANSWER SECTION:
www.baidu.com.		770	IN	CNAME	www.a.shifen.com.
www.a.shifen.com.	53	IN	CNAME	www.wshifen.com.
www.wshifen.com.	115	IN	A	104.193.88.77
www.wshifen.com.	115	IN	A	104.193.88.123

;; Query time: 293 msec
;; SERVER: 8.8.8.8#53(8.8.8.8)
;; WHEN: Wed Mar 24 21:57:42 CST 2021
;; MSG SIZE  rcvd: 127

通过强制使用8.8.8.8的dns服务器我们可以解析任何域名，这里就涉及到dns+anycast全局均衡负载的技术了。

anycast是什么

anycast准确的说是一种通信方式，其中文名叫：任播，最早在rfc1546中提出，只不过rfc1546只是一个概念，并没有实质性的实践，最终是在rfc3513才真正的提出任播地址的格式以及使用方式。但任播地址仅仅使用到了IPV6上，而对于IPV4并没有任播，IPV4只有组播以及单播。而今天讲的则是IPV4的任播方式，虽然没有按照rfc1513的格式实现，但是凭借IPV4这么多年的沉淀，早已利用各种骚操作使用任何场景，下面我们就来解开这IPV4的dns+anycast部署模式。

实战

dns+anycast拓扑图

效果

如上拓扑图，我们建立了一个IP为6.6.6.6内网DNS服务器群，所在网段为10.211.77.0/24，而我们要实现的是在PC端（网段10.211.66.0/24）能ping通6.6.6.6，同时执行命令dig www.baidu.com @6.6.6.6 A，能得到文章最开始的dig 8.8.8.8类似的返回结果。

准备工作

硬件准备

6台虚拟机均是centos7，网络模式均采用桥接的方式，其中虚拟机网关IP为：10.211.55.1
R1网卡配置:

eth0:
IPADDR=10.211.55.17
PREFIX=24
GATEWAY=10.211.55.1

eth1:
IPADDR=10.211.77.254
PREFIX=24
GATEWAY=10.211.55.1

R2网卡配置:

eth0:
IPADDR=10.211.55.18
PREFIX=24
GATEWAY=10.211.55.1

eth1:
IPADDR=10.211.66.254
PREFIX=24
GATEWAY=10.211.55.1

PC是直连R2路由器服务器，因此PC是不能上网的，并且PC的网关IP为R2的网卡eth1的IP（10.211.66.254），PC网卡配置如下:

eth0:
IPADDR=10.211.66.1
PREFIX=24
GATEWAY=10.211.66.254

DNS服务器组，三台DNS服务器均直连R1路由器，网关都是R1的eth1网卡IP（10.211.77.254），配置eth1网卡只是为了让三台DNS能够上网，这样才能出去递归解析域名，其中10.0.0.0/24是连接了Internet，其网关为10.0.0.2，故DNS群配置分别如下：

DNS1:
	eth0:
		IPADDR=10.211.77.1
    	PREFIX=24
    	GATEWAY=10.211.77.254
   eth1:
   		IPADDR=10.0.0.208
    	PREFIX=24
    	GATEWAY=10.0.0.1
DNS2:
	eth0:
		IPADDR=10.211.77.2
    	PREFIX=24
    	GATEWAY=10.211.77.254
   eth1:
   		IPADDR=10.0.0.209
    	PREFIX=24
    	GATEWAY=10.0.0.1
DNS3:
	eth0:
		IPADDR=10.211.77.3
    	PREFIX=24
    	GATEWAY=10.211.77.254
   eth1:
   		IPADDR=10.0.0.210
    	PREFIX=24
    	GATEWAY=10.0.0.1

软件准备

配置之前我们先测试一下互通性，我们现在R1上ping 10.211.66.254（R2的eth1 IP），可以看到此时是不通的。在这里插入图片描述

路由器R1、R2配置
软件只需要准备一款:`quagga`，这是一个动态路由软件，利用它我们可以在没有路由器的情况下，将linux服务器作为路由器，以达到路由的效果。quagga只是守护进程，真正使用到的服务是:zebra以及ospf，zebra是基础服务，用于静态IP以及路由管理等配置。ospf则是一种路由协议，全称为Open Shortest Path First，开放式最短路径优先协议，这是一个内网网关协议，用于单一自治系统内决策路由。通过ospf协议我们可以将同一路由域内的路由器选定为邻居，并且通过SPF算法计算出最短路由。  
我们利用ospf的特性就将R1与R2建立其邻居关系，这样就可以互相学习对方路由表，这样R1就能学习到R2的10.211.66.0/24网段的所有地址，而R2也可以学习到R1内的10.211.77.0/24网段的所有IP地址。这样一来R2就能ping通10.211.77.0/24网段，例如R1的eth1 IP:10.211.77.254。至于quagga安装不是本文的重点。  
R1的ospfd.conf配置如下:

```shell
password foobar
!
interface eth0
!
router ospf
	ospf router-id 10.211.55.17
	network 10.211.55.0/24 area 0.0.0.0
	network 10.211.77.0/24 area 0.0.0.2
	network 6.6.6.6/32 area 0.0.0.2
	network 10.0.0.0/24 area 0.0.0.2
!
line vty
!
log file /var/log/message/quagga/ospfd.log

然后执行：
systemctl start zebra
systemctl start ospfd
```

R2的ospfd.conf配置：

```shell
password foobar
!
interface eth0
!
router ospf
	ospf router-id 10.211.55.18
	network 10.211.55.0/24 area 0.0.0.0
	network 10.211.66.0/24 area 0.0.0.1
!
line vty
!
log file /var/log/message/quagga/ospfd.log
```
然后执行：
 ```shell
 systemctl start zebra
systemctl start ospfd
```

观察节点状态，在R1上执行:`vtysh`，执行命令：`show ip route` 显示如下信息:

在这里插入图片描述 其中O表示ospf邻居网络，O>*则表示学习到的对方的动态路由，这里R1学习到了R2的10.211.66.0/24网段的子网。
再次输入show ip ospf neighbor，查看邻居信息：
在这里插入图片描述
此时显示了10.211.55.18，表示ospf邻居关系已经建立成功。
同理R2上输入show ip ospf neighbor也能看到如下信息:
在这里插入图片描述
我们看一下路由表，看是否学习到了对方的路由表
在R1上执行:show ip ospf database，显示信息如下:
在这里插入图片描述
在R2上也执行:show ip ospf database
在这里插入图片描述
我们可以看到在R1的路由表里已经出现了R2的10.211.66.0/24网段，同时在R2的路由表里也能看到R1的10.211.77.0/24网段。

测试互通性

我们在R1上ping 10.211.66.254（R2的eth1 IP），此时已经实现互通了。
在这里插入图片描述
既然我们已经能ping通10.211.66.254，那此时是否能ping通PC端呢？
在R1上执行ping 10.211.66.1，显示如下信息，表示成功对接。
在这里插入图片描述
而PC端的IP如下:
在这里插入图片描述
同理我们在PC端执行:ping 10.211.77.254,显示如下信息，完美互通！
在这里插入图片描述

接入DNS群组
DNS1上也需要启用ospf，与R1建立邻居关系，这样才能让R1找到最近的dns服务器。DNS1上ospfd.conf配置如下，由于DNS2、DNS3除了router-id不相同以外其余配置都一样，这里就不再贴出。

 ```shell
 password foobar
 !
 interface lo
 !
 router ospf
 	ospf router-id 10.211.77.1
 	network 10.211.77.0/24 area 0.0.0.2
 	network 6.6.6.6/32 area 0.0.0.2
 	network 10.0.0.0/24 area 0.0.0.2
 !
 line vty
 !
 log file /var/log/message/quagga/ospfd.log
 
 然后三台DNS上分别执行：
 systemctl start zebra
 systemctl start ospfd
 ```
观察状态

在DNS1上进入vtysh，然后执行:show ip route，显示如下信息:
在这里插入图片描述
可以看到此时DNS1已经连接到了10.211.66.0/24网段已经10.211.77.0/24网段，以及10.211.55.0/24网段。我们在看一下邻居关系，在DNS1上执行show ip ospf neighbor
在这里插入图片描述
此时我们已经可以看到DNS1、DNS2、DNS3都在一个邻居网络上，表示我们的所有网络已经连接成功。此时我们再次测试联通性，在DNS1上执行:ping 10.211.66.1（PC的IP），可以看到也是通的。
在这里插入图片描述

实现anycast

我们刚才都是用的10.211.77.0/24进行访问的，但是我们最终目的是访问6.6.6.6。这里我们在DNS1、DNS2、DNS3的lo环网上添加一个6.6.6.6/32的IP:
shell ip addr add 6.6.6.6/32 dev lo
此时的DNS1、DNS2、DNS3的网卡信息分别如下:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
此时我们再通过PC端来ping 6.6.6.6，看看效果:
在这里插入图片描述
由此我们的整个网络拓扑已经建立起来，PC端成功的ping通6.6.6.6网段。也实现我们预期的效果。

搭建dns服务器

我们这里使用的是bind9作为DNS服务器，分别在DNS1、DNS2、DNS3上执行:./named -c ./named.conf -g，这样我们就建立起三个dns服务器，监控日志打印如下信息表示成功启动:
在这里插入图片描述
此时我们在PC端执行:dig www.baidu.com @6.6.6.6 A
在这里插入图片描述
此时我们已经成功的部署好DNS服务器并且能正常提供递归服务。

均衡负载

我们刚才虽然已经将三台DNS架设起来，而且PC端也能成功的dig请求6.6.6.6解析域名，但是其实现在每次dig的请求都是到了DNS1这台服务器，与我们想要的均衡负载似乎并没有太大的关系，并且我们本可以使用DNS1的eth1网卡IP:10.211.77.1，为何又大费周章的去做一个6.6.6.6/32的地址来进行解析呢？这似乎跟均衡以及anycast没半毛钱关系。
我们做一个实验，如果把DNS1服务器关掉或者关闭网卡，会是怎么样的呢？
在这里插入图片描述
我们在DNS1上分别关掉eth0、eth1以及删掉6.6.6.6/32，此时ip a可以看到DNS1已经是断网的状态，也ping不通任何服务器。
而此时的DNS2以及DNS3的状态如下,都已经开启了DNS服务。
在这里插入图片描述
此时我们再次从PC端执行dig www.baidu.com @6.6.6.6 A，此时的DNS2以及DNS3的日志打印:
在这里插入图片描述
可以看到DNS2已经收到了PC端的A记录解析请求。同时PC端也收到了响应:
在这里插入图片描述
如此一来，DNS的均衡负载就能正常运转，同样的道理如果我们把DNS1再次启动，此时的PC端的请求会回到DNS1上。这样就可以水平拓展DNS服务器以达到均衡负载的目的。

原理

以上就是DNS+Anycast搭建均衡负载的实战，这其中比较关键的点就是ospf协议以及在lo环网上添加6.6.6.6/32作为均衡负载IP。我们在刚才的实验中可以看到，当DNS1断开以后，请求能自动达到了DNS2上，这一步其实就是ospf协议做的工作。我们在搭建的时候将DNS1、DNS2、DNS3以及R1一起通过ospf建立了邻居关系。
此时的DNS1、DNS2、DNS3就是R1路由器的邻居，同时DNS三台服务器上的所有网段都能被R1路由器学习到，因此在三台DNS服务器上添加了6.6.6.6/32也能被R1路由器学习到。而我们都知道ospf协议是开放最短路径最优协议，也就是在邻居里面会计算出最近的邻居，一般这个路径是根据路由跳数计算，而三台DNS处于一个路由内网中，因此就只需要记录谁最先响应hello组播消息，那么谁就是最近的邻居。因此就有了每次请求6.6.6.6的时候，都是DNS1响应。而如果DNS1断开以后则是DNS2响应。这样就通过路由协议以实现一个均衡负载的场景。
在lookback回环网卡上添加6.6.6.6/32是因为lookback网卡的状态永远是up的，即是没有配置地址，他都会存在，这就保证了服务的可用。另外就是将相同的IP添加到lookback上就不会存在IP冲突的情况，因为回环地址只会作为主机解析使用，它不会讲任何数据传输给网络接口。也就是说要访问本机的6.6.6.6/32其实是通过了网卡eth0或者eth1入口，然后解析到回环上的。所以就不存在同一局域网内IP冲突的情况。

缺点

讲了这么多anycast的部署以及优点，但它有一个致命的弱点，那就是因为它本身就是通过IP协议逐跳寻址的特性，讲数据包导向不通的目的地，但由于逐跳的路由收敛和端到端的五元组连接互相没有同步，导致anycast不能用于TCP长链接。例如在请求的过程中，数据还没返回，但DNS服务器断开，此时路由会收敛计算到其他路径，这就会导致返回路径不一致，从而造成TCP主机之间会出现断开的情况，因此anycast只适合例如UDP这样一问一答的情景，例如DNS，而且google的公共DNS就是利用了这个特性进行搭建的，只不过google搭建的是一个全球性的公共DNS，利用的是BGP边界路由协议，实现的是不通路由之间的宣告，而本例只是利用了ospf协议搭建的内网的DNS，仅仅是google公共DNS的一个很小的单元罢了。
但管中窥豹，我们通过小型的内网anycast场景的搭建也能窥视全球DNS的布局模式，这也不为一种学习方式。

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