为什么需要获取客户端真实ip

ip地址是按地域分布的，服务器获取到客户端ip后可以做流量统计和分析，服务器也可以针对客户端ip做一些定制化的功能，比如限流和黑白名单。
网络环境十分复杂，客户端发出的一个请求至少要经过cdn和负载均衡后才可以到达服务器。报文经过负载均衡的时候往往会做FNAT（lvs的一种转发模式，被普遍用于各种厂商的lb，该转发模式会对所有报文做源地址转换和目的地址转换），所以报文经过lb后，源地址就被删除了，这样服务器看到的源地址都是lb的地址，无法获取到客户端的真实ip了。
各大lb厂商都有自己的办法来实现这个功能，具体的实现方式需要区分四层lb和七层lb。

四层负载均衡

四层负载均衡支持的协议一般是tcp和udp，四层负载均衡实现获取客户端真实ip功能的方法一般是toa/uoa和proxy protocol。

toa/uoa

我们知道tcp报文头部有个扩展字段tcp option，这个字段非常常用，比如mss、sack、timestamps、窗口扩大系数等都是放在这个字段里的。lb本身是可以获取到源ip和源端口的，所以lb可以把客户端ip和端口封装到tcp option里面，然后将报文转发给后端。后端需要安装特殊的toa模块，并将toa模块加载到内核，后端可以依靠toa内核模块获取到客户端的真实ip。toa的特点主要有以下几点：

不需要改造后端服务，但是需要根据lb功能的实现编写toa/uoa模块。
udp报文头部没有option字段，所以针对udp，一般会把客户端ip放到ip option里面。
由于tcp option的长度最多只有40个字节，而tcp option又很常用，toa至少需要8个字节，如果lb收到报文时，tcp option剩下的空间已经不够存放toa了，那获取客户端真实ip这个功能就会失效，所以有的厂商也会把toa放到不常用的ip option里面。
对于ipv6的场景，toa至少需要占用20个字节（16字节的ip地址，2字节端口，1字节length，1字节类型），所以也经常会被放到ipv6报文头部的扩展报文头里。
toa增加的报文长度，为了增大带宽利用率，我们往往只在握手阶段插入toa；对于uoa而言，就是只对同一条流的前几个报文插入uoa。

proxy protocol

proxy protocol是HAProxy的作者Willy Tarreau于2010年开发和设计的一个Internet协议，通过为tcp添加一个很小的头信息，来方便的传递客户端信息（协议栈、源IP、目的IP、源端口、目的端口等)。其本质就是在三次握手后的第一个数据包中的tcp头部后面的payload添加了proxy protocol协议规定的内容，来向服务端传送客户端信息。udp当然也可以支持proxy protocol，只需将同一条流的第一个udp报文进行改造即可。proxy protocol的特点如下：

需要对后端服务代码进行改造，nginx天然支持proxy protocol，但是如果是自己实现的服务，则需要自己来实现解析proxy protocol的功能。
nginx的一个端口无法既支持proxy protocol，又支持普通的http请求。

七层负载均衡

七层负载均衡支持的主要服务是http，七层负载均衡支持获取客户端真实ip的方法就比较简单且灵活，一般是通过插入一个http头部来实现，比如X-Forwarded-For字段，服务端可以直接通过这个http头部获取到客户端真实ip。

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