哈喽别样
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20171020 LVS

  • 集群的概念
  • LVS介绍
  • ipvsadm的使用
  • 实现LVS-NAT
  • 实现LVS-DR
  • LVS高可用

一、集群的概念

（一）系统扩展方式

  • Scale UP：向上扩展，增强单机性能
  • Scale Out：向外扩展，增加设备，但需要考虑调度分配问题
  • 集群(Cluster)即是向外扩展思路的体现

（二）集群的概念和分类

  • Cluster：集群，为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统
（1）Linux Cluster类型

  • LB(Load Balancing)：负载均衡

  • HA(High Availiablity)：高可用

    • SPOF(Single Point Of Failure)：单点失败，必须尽可能消灭出现单点失败的环节
    • MTBF(MeanTime Between Failure)：平均无故障时间
    • MTTR(MeanTime To Restoration/Repair)：平均恢复前时间，即故障修复时间
    • A=MTBF/（MTBF+MTTR）
      取值范围(0,1)：99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, 99.9999%，生产环境要求99.999%以上，即一年内故障时间不超过0.001%（约5分钟）

  • HPC(High-performance computing)：高性能，超级计算机

（2）Cluster按照实现分类

  • 硬件
    F5 Big-IP
    Citrix Netscaler
    A10 A10

  • 软件
    lvs：Linux Virtual Server
    nginx：支持四层调度
    haproxy：支持四层调度

（3）Cluster基于工作协议层次分类

  • 传输层（通用）：基于IP地址与端口DPORT
    LVS：
    nginx：stream
    haproxy：mode tcp

  • 应用层（专用）：针对特定协议，自定义的请求模型分类
    也称作代理服务器(proxy server)
    http：nginx, httpd, haproxy(mode http), ...
    fastcgi：nginx, httpd, ...
    mysql：mysql-proxy, ...

（三）负载均衡下实现会话保持

  • http协议是无状态的，cookie和session机制实现会话保持

  • 在负载均衡模式下，相同客户端的前后连接可能被分配给不同的服务器提供服务，需要有相关技术解决会话保持问题

  • 三种解决技术：

    • session sticky：同一用户调度固定服务器
      Source IP：LVS sh算法（对某一特定服务而言）
      Cookie
    • session replication：每台服务器拥有全部session
      session multicast cluster
    • session server：专门的session服务器
      Memcached, Redis

二、LVS介绍

（一）LVS

  • LVS(Linux Virtual Server)：负载调度器，集成内核

  • 工作原理：VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS

  • LVS集群类型中的术语：

    • VS：Virtual Server，又称Director, Dispatcher(调度器), Load Balancer
    • RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)
    • CIP：Client IP
    • VIP：Virtual server IP，VS外网的IP
    • DIP：Director IP，VS内网的IP
    • RIP：Real server IP
    • 访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP
20171020 LVS_第1张图片
  • LVS集群类型
    • lvs-nat：修改请求报文的目标IP，即多目标IP的DNAT
    • lvs-dr：操纵封装新的MAC地址
    • lvs-tun：在原请求IP报文之外新加一个IP首部
    • lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP

（二）LVS-NAT模式

（1）实现原理：

本质是多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为VS调度的RS的RIP和PORT实现转发

（2）特点：
  • RIP和DIP建议在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP
  • 请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈
  • 支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT
  • VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统
20171020 LVS_第2张图片

（三）LVS-DR(Direct Routing)模式

（1）实现原理：

通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是VS调度的RS的RIP所在接口的MAC地址

（2）特点：
  • 直接路由，LVS默认模式，应用最广泛
  • Director和各RS都配置有VIP
  • 源IP/PORT以及目标IP/PORT均保持不变
  • RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director
  • RS和Director要在同一个物理网络
  • 请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client
  • 不支持端口映射（端口不能修改）
  • RS可使用大多数OS系统
（3）通过RS目标MAC实现调度的条件：防止IP地址冲突

有以下三种方法

  • Director上静态绑定VIP和RS的MAC地址
  • 在RS上使用arptables工具
    arptables -A IN -d $VIP -j DROP
    arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP
  • 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别，推荐此种方法
    arp_announce
    arp_ignore
20171020 LVS_第3张图片

（四）LVS-TUN模式

（1）实现原理：

不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）

（2）特点：
  • DIP, VIP, RIP都应该是公网地址
  • RS的网关不能，也不可能指向DIP
  • 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director
  • 不支持端口映射
  • RS的OS须支持隧道功能
20171020 LVS_第4张图片

（五）LVS-FULLNAT模式

（1）实现原理：

通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发
CIP --> DIP
VIP --> RIP

（2）特点：
  • VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP
  • RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client
  • 请求和响应报文都经由Director
  • 支持端口映射；
  • 注意：此类型kernel默认不支持

（六）LVS四种模式异同

  • lvs-nat与lvs-fullnat：请求和响应报文都经由Director
    lvs-nat：RIP的网关要指向DIP
    lvs-fullnat：RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信

  • lvs-dr与lvs-tun：请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
    lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
    lvs-tun：通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信

（七）ipvs scheduler：调度算法

  • 根据调度时是否考虑各RS当前的负载状态，分为静态方法和动态方法
（1）静态方法：仅根据算法本身进行调度
  • RR：roundrobin，轮询
  • WRR：Weighted RR，加权轮询
  • SH：Source Hashing，源地址哈希，将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定
  • DH：Destination Hashing，目标地址哈希，将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡，如：宽带运营商
（2）动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度
  • Overhead值较小的RS将被调度
  • LC：least connections，适用于长连接应用
    Overhead=activeconns*256+inactiveconns
  • WLC：Weighted LC，默认调度方法
    Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight
  • SED：Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先
    Overhead=(activeconns+1)*256/weight
  • NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED
  • LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理
  • LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC
    解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS

三、ipvsadm的使用

  • ipvsadm：集群服务管理和集群服务的RS管理工具

（一）管理集群服务

  • 命令：
    • 增、改
      ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
    • 删除
      ipvsadm -D -t|u|f service-address
  • -t|u|f service-address
    • service-address：VIP:PORT
      -t：TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT
      -u：UDP协议的端口，VIP:UDP_PORT
      -f：firewall MARK，标记，一个数字
  • [-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc

（二）管理集群上的RS

  • 命令：

    • 增、改
      ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]
    • 删
      ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address

  • -t|u|f VIP:PORT -r RIP:PORT，省略PORT则为不做端口映射

  • lvs类型：
    -g：gateway，dr类型，默认
    -i：ipip，tun类型
    -m：masquerade，nat类型

  • -w weight：权重

（三）FWM(FireWall Mark)

  • FWM的功能：分类报文并基于标记定义集群服务；实现多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度

  • 实现方法：

    • 在Director主机打标记
      iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $proto -m multiport --dports $port1,$port2,… -j MARK --set-mark NUMBER
    • 在Director主机基于标记定义集群服务
      ipvsadm -A -f NUMBER [options]
    • --set-mark NUMBER：NUMBER为16进制数

（四）持久连接

  • session 绑定：对共享同一组RS的多个集群服务，需要统一进行绑定，lvs sh算法无法实现

  • 持久连接(lvs persistence)模板：实现无论使用任何调度算法，在一段时间内（默认360s），能够实现将来自同一个地址的请求始终发往同一个RS
    ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] -p [timeout]

  • 持久连接实现方式：

    • 每端口持久（PPC）：每个端口对应定义为一个集群服务，每集群服务单独调度
    • 每防火墙标记持久（PFWMC）：基于防火墙标记定义集群服务；可实现将多个端口上的应用统一调度，即所谓的port Affinity
    • 每客户端持久（PCC）：基于0端口（表示所有服务）定义集群服务，即将客户端对所有应用的请求都调度至后端主机，必须定义为持久模式

（五）其他ipvsadm命令

  • 清空定义的所有内容：ipvsadm -C
  • 清空计数器：ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
  • 查看：ipvsadm -L|l [options]
    --numeric, -n：以数字形式输出地址和端口号
    --exact：扩展信息，精确值
    --connection，-c：当前IPVS连接输出
    --stats：统计信息
    --rate ：输出速率信息
  • 查看当前内存中ipvs规则：/proc/net/ip_vs
  • 查看当前内存中ipvs连接：/proc/net/ip_vs_conn

（六）保存及重载规则

  • 保存：建议保存至/etc/sysconfig/ipvsadm
    ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
    ipvsadm -S > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
    systemctl stop ipvsadm.service

  • 重载：
    ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
    ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
    systemctl restart ipvsadm.service

四、实现LVS-NAT

（一）设计要点：

  • RIP与DIP在同一IP网络, RIP的网关要指向DIP
  • 支持端口映射
  • Director要打开核心转发功能

（二）实现功能：

NAT模型实现https负载均衡集群

（三）实验环境：

  • 需要4台主机
    主机1：Director(Virtual Server), VIP: 172.18.58.230, DIP: 192.168.136.230
    主机2：Real Server1, RIP1: 192.168.136.229
    主机3：Real Server2, RIP2: 192.168.136.129
    主机4：Client, CIP: 172.168.58.15

  • 说明：
    172.18.0.0/16网段代表外网，192.168.136.0/24网段代表内网
    一般来说Client和VS不再同一网段，中间应有多台路由器，本实验忽略此部分
    RS1和RS2提供的服务应是一致的，但为了证明实验结果，故意对返回结果做了区分

（四）实验步骤：

（1）实验准备
  • 关闭实验主机的iptables, firewalld, selinux服务
// CentOS 6关闭iptables
service iptables stop
chkconfig iptables off
// CentOS 7关闭firewalld
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
// 关闭selinux
vim /etc/sysconfig/selinux
SELINUX=permissive
setenforce 0
  • 同步时间：ntpdate time_server_ip
（2）准备RS1, RS2的httpd服务
vim /var/www/html/index.html
RS1 homepage     // RS1上的内容
RS2 homepage     // RS2上的内容
service httpd start
// 测试httpd服务
curl 192.168.136.229
curl 192.168.136.129
（3）配置路由
// RS1/2配置默认网关
route add default gw 192.168.136.230
// Client配置默认网关
route add default gw 172.18.58.230
// VS开启路由功能
vim /etc/sysctl.conf 
net.ipv4.ip_forward=1
sysctl -p
（4）Director上配置LVS-NAT
ipvsadm -A -t 172.18.58.230:80 -s wrr
ipvsadm -a -t 172.18.58.230:80 -r 192.168.136.229:80 -m -w 2
ipvsadm -a -t 172.18.58.229:80 -r 192.168.136.129:80 -m
ipvsadm -Ln
20171020 LVS_第5张图片
（5）测试http服务的lvs-nat模式

for i in {1..10}; do curl 172.18.58.230 ; done

从测试结果中看出，director明显按照wrr算法，以RS1:RS2=2:1的比例调度

20171020 LVS_第6张图片
（6）实现httpd加密服务的lvs-nat模式
  • 在RS1上生成自签名证书
cd /etc/pki/tls/certs
make httpd.crt
// 建立密钥时需要输入密码，需要对密钥解密
openssl rsa -in /etc/pki/tls/certs/httpd.key -out /etc/pki/tls/certs/httpd2.key
mv httpd2.key httpd.crt /etc/httpd/conf.d/
cd /etc/httpd/conf.d
mv httpd2.key httpd.key
  • 复制证书和密钥到RS2上，必须保证RS上的证书和密钥是同一份
cd /etc/httpd/conf.d
scp httpd* 192.168.136.129:/etc/httpd/conf.d/
  • 安装mod_ssl并修改RS1, RS2上的httpd配置文件
yum install mod_ssl
vim /etc/httpd/conf.d/ssl.conf
DocumentRoot "/app/website"
SSLCertificateFile /etc/httpd/conf.d/httpd.crt
SSLCertificateKeyFile /etc/httpd/conf.d/httpd.key
  • 在RS1, RS2上建立相应网页文件
mkdir -p /app/website
echo "RS1 encrypted homepage" > /app/website/index.html      // RS1上的内容
echo "RS2 encrypted homepage" > /app/website/index.html      // RS2上的内容
  • 在RS1, RS2上重启并测试服务
service httpd restart
curl -k https://192.168.136.229     // 在RS1本机测试https连接
curl -k https://192.168.136.129     // 在RS2本机测试https连接
  • 在Director上配置LVS-NAT
ipvsadm -A -t 172.18.58.230:443 -s wrr
ipvsadm -a -t 172.18.58.230:443 -r 192.168.136.229:443 -m  -w 2
ipvsadm -a -t 172.18.58.230:443 -r 192.168.136.129:443 -m
  • 在Client上测试https服务
    for i in {1..10}; do curl -k https://172.18.58.230 ; done
20171020 LVS_第7张图片

五、实现LVS-DR

（一）DR模型中，各主机上均需要配置VIP，解决地址冲突的方式有三种：

  • 在前端网关做静态绑定
  • 在各RS使用arptables
  • 在各RS修改内核参数，来限制arp响应和通告的级别
    • 限制响应级别：arp_ignore
      0：默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应
      1：仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文的接口上时，才给予响应
    • 限制通告级别：arp_announce
      0：默认值，把本机所有接口的所有信息向每个接口的网络进行通告
      1：尽量避免将接口信息向非直接连接网络进行通告
      2：必须避免将接口信息向非本网络进行通告

（二）实验功能：

DR模型实现https负载均衡集群

（三）实验环境：

  • 需要5台主机：
    主机1：Router, IP1: 172.18.58.130, IP2: 192.168.136.130
    主机2：Director(Virtual Server), VIP: 192.168.136.230, DIP: 192.168.136.30
    主机3：Real Server1, RIP: 192.168.136.229
    主机4：Real Server2, RIP: 192.168.136.129
    主机5：Client, CIP: 172.18.58.15

  • 说明：
    RS1和RS2提供的服务应是一致的，但为了证明实验结果，故意对返回结果做了区分

（四）实验步骤：

（1）实验准备
  • 关闭实验主机的iptables, firewalld, selinux服务
// CentOS 6关闭iptables
service iptables stop
chkconfig iptables off
// CentOS 7关闭firewalld
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
// 关闭selinux
vim /etc/sysconfig/selinux
SELINUX=permissive
setenforce 0
  • 同步时间：ntpdate time_server_ip
（2）准备RS1, RS2的httpd服务
vim /var/www/html/index.html
RS1 homepage LVS-DR     // RS1上的内容
RS2 homepage LVS-DR     // RS2上的内容
service httpd start
// 测试httpd服务
curl 192.168.136.229
curl 192.168.136.129
（3）配置路由
// RS1/2配置默认网关
route add default gw 192.168.136.130
// VS配置默认网关
route add default gw 192.168.136.130
// Client配置默认网关
route add default gw 172.18.58.130
// Router开启路由功能
vim /etc/sysctl.conf 
net.ipv4.ip_forward=1
sysctl -p
（4）RS配置
// 限制arp响应和通告的级别
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore 
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore 
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce 
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce 
// 将VIP绑定到lo网卡上
ip a a 192.168.136.230 dev lo
（5）Director上配置LVS-DR
// 将DIP绑定到VIP所在的网卡
ip a a 192.168.136.30/24 dev ens37
// 配置LVS-DR
ipvsadm -A -t 192.168.136.230:80 -s wrr
ipvsadm -a -t 192.168.136.230:80 -r 192.168.136.229:80 -g -w 2
ipvsadm -a -t 192.168.136.230:80 -r 192.168.136.129:80 -g
ipvsadm -Ln
（6）测试http服务的lvs-nat模式

for i in {1..10}; do curl 192.168.136.230 ; done

从测试结果中看出，director明显按照wrr算法，以RS1:RS2=2:1的比例调度

20171020 LVS_第8张图片
（7）实现httpd加密服务的lvs-nat模式
  • 在RS1上生成自签名证书
cd /etc/pki/tls/certs
make httpd.crt
// 建立密钥时需要输入密码，需要对密钥解密
openssl rsa -in /etc/pki/tls/certs/httpd.key -out /etc/pki/tls/certs/httpd2.key
mv httpd2.key httpd.crt /etc/httpd/conf.d/
cd /etc/httpd/conf.d
mv httpd2.key httpd.key
  • 复制证书和密钥到RS2上，必须保证RS上的证书和密钥是同一份
cd /etc/httpd/conf.d
scp httpd* 192.168.136.129:/etc/httpd/conf.d/
  • 安装mod_ssl并修改RS1, RS2上的httpd配置文件
yum install mod_ssl
vim /etc/httpd/conf.d/ssl.conf
DocumentRoot "/app/website"
SSLCertificateFile /etc/httpd/conf.d/httpd.crt
SSLCertificateKeyFile /etc/httpd/conf.d/httpd.key
  • 在RS1, RS2上建立相应网页文件
mkdir -p /app/website
echo "RS1 encrypted homepage LVS-DR" > /app/website/index.html      // RS1上的内容
echo "RS2 encrypted homepage LVS-DR" > /app/website/index.html      // RS2上的内容
  • 在RS1, RS2上重启并测试服务
service httpd restart
curl -k https://192.168.136.229     // 在RS1本机测试https连接
curl -k https://192.168.136.129     // 在RS2本机测试https连接
  • 在Director上配置LVS-NAT
ipvsadm -A -t 192.168.136.230:443 -s wrr
ipvsadm -a -t 192.168.136.230:443 -r 192.168.136.229:443 -w 2
ipvsadm -a -t 192.168.136.230:443 -r 192.168.136.129:443
  • 在Client上测试https服务
    for i in {1..10}; do curl -k https://192.168.136.230 ; done
20171020 LVS_第9张图片

（五）实验进阶1：使用FWM将http和https服务统一调度

  • 在Director上将http和https服务统一打成一个标签
    iptables -t mangle -A PREROUTING -d 192.168.136.230 -p tcp -m multiport --dports 80,443 -j MARK --set-mark 10

  • 在Director上重新配置LVS-DR

ipvsadm -C
ipvsadm -A -f 10 -s wrr
ipvsadm -a -f 10 -r 192.168.136.229 -g -w 2
ipvsadm -a -f 10 -r 192.168.136.129 -g
  • 在Client上测试
    for i in {1..10}; do curl 192.168.136.230; curl -k https://192.168.136.230; done
20171020 LVS_第10张图片

（六）实验进阶2：实现所有调度算法都可以会话绑定，绑定时间120s

  • 在Director上重新配置LVS-DR
ipvsadm -C
ipvsadm -A -f 10 -s wrr -p 120
ipvsadm -a -f 10 -r 192.168.136.229 -g -w 2
ipvsadm -a -f 10 -r 192.168.136.129 -g
  • 在Client上测试
    for i in {1..10}; do curl 192.168.136.230; curl -k https://192.168.136.230; done
20171020 LVS_第11张图片

六、LVS高可用

（1）Director不可用，整个系统将不可用，SPoF(Single Point of Failure)

  • 解决方案：高可用
  • 相关技术：keepalived heartbeat/corosync

（2）某RS不可用时，Director依然会调度请求至此RS

  • 解决方案：由Director对各RS健康状态进行检查，失败时禁用，成功时启用
  • 相关技术：keepalived heartbeat/corosync, ldirectord
  • 检测方式：
    (a) 网络层检测，icmp
    (b) 传输层检测，端口探测
    (c) 应用层检测，请求某关键资源
    RS全不用时：back server, sorry server

（3）通过ldirectord管理LVS，实现当某RS不可用时LVS自动切换至其他RS

  • VS上安装ldirectord
    yum install ldirectord-3.9.6-0rc1.1.1.x86_64.rpm

  • VS上修改配置文件

cp /usr/share/doc/ldirectord-3.9.6/ldirectord.cf /etc/ha.d/
vim /etc/ha.d/ldirectord.cf
checktimeout=3
checkinterval=1
autoreload=yes
quiescent=no
virtual=192.168.136.230:80
        real=192.168.136.229:80 gate 2
        real=192.168.136.129:80 gate 1
        fallback=127.0.0.1:80 gate     // sorry server
        service=http
        scheduler=wrr
        protocol=tcp
        checktype=negotiate
        checkport=80
        request="index.html"
        receive="homepage"

ipvsadm -C      // ldirectord服务启动后接管ipvsadm对LVS的管理，提前清空设置
systemctl start ldirectord
  • VS上配置sorry server页面
yum intall httpd
vim /var/www/html/index.html
Sorry, wait a moment.
systemctl httpd start

  • Client上测试
    for i in {1..10}; do curl 192.168.136.230; done

    • VS按照权重调度
    20171020 LVS_第12张图片
    • 关闭RS1的httpd服务后，VS自动都调度至RS2
    20171020 LVS_第13张图片

    • 关闭RS2后，RS全部无法连接，VS自动调度到sorry server


      20171020 LVS_第14张图片

    • 初始状态，关闭RS1的httpd服务后，关闭RS2的httpd服务，这三个状态下ldirectord服务自动修改调度设置，无需人工干预

    20171020 LVS_第15张图片

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按字母分类： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ其他