1.はじめに

ネットワークスペシャリスト（通称ネスぺ）を勉強中にロードバランサについての項目が出てきた。
漠然と知ってはいたが、いざどういう設定でどういう動きをしているかは全くわからなかったので、個人的に大好きなGNS3で検証環境を構築しました！

2. 検証シナリオ

端末からWebサーバに対してアクセスし、ロードバランサで負荷分散されているかを検証
（アクセスはブラウザ・ターミナル両方でアクセス）
ロードバランサついでにDNSサーバも配置し、名前解決できる環境も構築！

3. 使用するDockerイメージ

まずはじめに、各サーバの元となるイメージを作成することをおすすめします！
ウブンツの公式イメージを使用し、以下の項目をインストールするようにします。

iputils-ping
traceroute 
net-tools

Dockerfile

FROM ubuntu:latest


RUN apt-get update && \
    apt-get install -y \
      iproute2 \
      iputils-ping \
      traceroute \
      net-tools

CMD ["bash"]

インストールする理由としては、GNS3上にサーバを配置した時、インタフェースの有効化やpingを使えるようにするためです。

ウブンツ公式イメージなどは、最小構成のため、pingなどのコマンドがインストールされていないことが多いです。

次に各サーバのDcokerfileを作成していきます。

ロードバランサー
nginxのイメージを使用
DNSサーバ
　CoreDNSのイメージを使用
Webサーバ
　pythonイメージを使用（サーバ機能はpython標準ライブラリのhttpコマンド）

4. Dcokerfileの準備

DcokerfileからGNS3で起動するイメージを作成する。

ロードバランサー

Dockerfile

# 先ほど自作したイメージを指定
FROM mynginx:nettools

# default.conf をイメージ内にコピー
COPY default.conf /etc/nginx/conf.d/default.conf

上記のDockerfile内にあるdefault.confは、ロードバランサーの動作を記述したファイルです。

default.conf

# /etc/nginx/conf.d/default.conf

# upstream でバックエンドサーバーを定義
upstream my_backend {
    server 192.168.1.10:80;
    server 192.168.1.20:80;
    server 192.168.1.30:80;
}

server {
    listen 80;
    server_name _;  # 任意のホスト名や _ など

    location / {
        # upstream 名を指定してプロキシ転送
        proxy_pass http://my_backend;
        # 必要に応じてヘッダーの付与や設定を追加
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
    }
}

負荷分散するバックエンドサーバのIPアドレスを指定しています。
負荷分散のアルゴリズムを指定しない場合は、デフォルトのラウンドロビンになります。

DNSサーバ

DNSサーバでは、CoreDNSというGO言語ベースの軽量DNSサーバを使用します。
Dockerfileの中でインストールしていきます。

Dockerfile

FROM ubuntu:latest

# HTTPSダウンロード用に ca-certificates をインストール
RUN apt-get update && \
    apt-get install -y --no-install-recommends \
        wget \
        ca-certificates \
        iproute2 && \
    rm -rf /var/lib/apt/lists/*

ENV COREDNS_VERSION=v1.12.0

RUN wget "https://github.com/coredns/coredns/releases/download/${COREDNS_VERSION}/coredns_1.12.0_linux_amd64.tgz" && \
    tar -zxvf coredns_1.12.0_linux_amd64.tgz -C /usr/bin && \
    rm coredns_1.12.0_linux_amd64.tgz

COPY Corefile /Corefile
CMD ["/usr/bin/coredns", "-conf", "/Corefile"]

Dockerfileの中にあるCorefileはDNS機能を記述しているファイルになります。

Corefile

.:53 {
    forward . 8.8.8.8
    log
    errors
}

example.local:53 {
    hosts {
        192.168.1.1  example.local
        fallthrough
    }
    log
    errors
}

ドメイン名「example.local」をIPアドレス「192.168.1.1」へ名前解決しています。

Webサーバ

ロードバランサーのバックエンドで動作するWebサーバになります。
ここはPythonの標準イメージを使用しています。

Dockerfile

# ベースイメージとして公式の Python イメージを使用
FROM python:3.9-slim

# コンテナ内での作業ディレクトリを設定
WORKDIR /app

# ポート80番をコンテナ内で開放
EXPOSE 80


# python -m http.server 80 を起動コマンドとする
CMD ["python", "-m", "http.server", "80"]

イメージの作成コマンド

作成したDockerfileはそれぞれディレクトリ分けしておきます。

例）
lb_gns3/
    Dockerfile
    default.conf
dns_gns3/
    Dockerfile
    Corefile
web-server-py_gns3
    Dockerfile

それぞれのディレクトリ内で下記のコマンドを実行します。

docker build -t <任意のイメージ名>:<任意のタグ名> .

5. DockerイメージをGNS3へ配置

Dockerfileで作成したイメージをGNS3に取り込んでいきます。
下記のリンクでGNS3での操作の概要は把握できるかと思います。
https://www.n-study.com/how-to-use-gns3/how-to-add-docker-container-linux-host/
イメージ選択画面のところは、「New Image」ではなく「Existing Image」をチェックし、先ほどDockerfileで作成したイメージを選択しましょう。

GNS3の設定が完了すると、画像のように一覧の中にDockerイメージが追加されます。
私は画像のようにイメージを配置しました。

（一部イメージのシンボルを変更していますので見た目が違います。）

6.ネットワークのテスト方法

まず、ネットワークは下表のように作成しています。

ノード	IPアドレス	マスク
ClientーGUI	192.168.0.100	/24
Client -CUI	192.168.0.200	/24
Load-Balancer(eth0)	192.168.0.1	/24
Load-Balancer(eth1)	192.168.1.1	/24
DNS-Server	192.168.0.50	/24
Web-Server-1	192.168.1.10	/24
Web-Server-2	192.168.1.20	/24
Web-Server-3	192.168.1.30	/24

テストのシナリオは以下の要領です。
・　Client-GUIのブラウザからWebサーバへアクセス
　（http://example.localへアクセス）
　（併せてClient-CUIからも「curl」コマンドにてhttp通信が可能）
・　DNSサーバへ名前解決され、192.168.1.1へ転送される。
・　192.168.0.1はロードバランサー宛てで、ロードバランサーはそのトラフィックを負荷分散アルゴリズム（今回はデフォルトのラウンドロビン）にもとづ　いてバックエンドのWebサーバへ振り分ける。

それでは、実際に通信をしてみます！！！

まずはClientーGUIのノードをダブルクリックすると、下図のようにGUIが立ち上がります。
example.localへ通信し、Webサーバの応答（この場合だと、Pythonの簡易webサーバの画面）結果が表示されます。

また、Client-GUIからでも同様に通信してみます。

同様にhttpのレスポンスが返ってってきています。

ワイヤーシャークでDNSの通信も確認してみましょう！

画像の通り、example.localは192.168.1.1へ名前解決されています。
（今回の構成の場合は、192.168.1.0/24のネットワークへの通信は、ロードバランサーでルーティングするようになっています。）

下の画像は、ClientーCUIからcurlコマンドで３回アクセスした結果です。
ロードバランサーの機能で、バックエンドの各サーバへ負荷分散されていることがわかります。