构建LVS负载均衡群集——地址转换模式(LVS-NAT)

LVS负载均衡群集

  • 一 群集的概念
    • 1.1 群集的类型
    • 1.2 负载均衡的分层类型
    • 1.3 负载均衡的工作模式
  • 二 LVS虚拟服务器
    • 2.1 LVS的负载调度算法
    • 2.2 ipvsadm管理工具
  • 三 构建LVS-NAT群集
    • 3.1 实验环境
    • 3.2 NFS共享服务器配置
    • 3.3 web节点服务器1配置
    • 3.4 web节点服务器2配置
    • 3.5 负载均衡调度器配置

一 群集的概念

来自于英文单词“cluster”,表示一群、一串的意思,在服务器领域表示一大群服务器的集合体,以区分于单个服务器。

1.1 群集的类型

无论是哪种群集,都至少包括两台节点服务器,而对外表现为一个整体,只提供一个访问入口(域名或者IP地址),相当于一台大型计算机。根据群集所针对的目标差异,可以分为以下三种类型。

  • 负载均衡群集
    以提高应用系统的响应能力、尽可能处理更多的访问请求、减少延迟为目标,获得高并发、高负载的整体性能。
    负载均衡的负载分配依赖于主节点的分流算法,将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点,从而缓解整个系统的负载压力。

  • 高可用群集
    以提高应用系统的可靠性,尽可能地减少中断时间为目标,确保服务的连续性,达到高可用(HA)的容错效果。

  • 高性能运算群集
    以提高应用系统的CPU运算速度、扩展硬件资源和分析能力为目标,获得相当于大型,超级计算机的高性能运算(HPC)能力。
    高性能依赖于“分布式运算”,“并行计算”,通过专用硬件和软件将多个服务器的CPU,内存等资源整合在一起,实现只有大型,超级计算机才具备的计算能力。

1.2 负载均衡的分层类型

在典型的负载均衡群集中,包括三个层次的组件,如图 1.1 所示。前端至少有一个负载调度器(Load Balancer,或称为 Director)负责响应并分发来自客户机的访问请求;后端由大量真实服务器(Real Server)构成服务器池(Server Pool),提供实际的应用服务,整个群集的伸缩性通过增加、删除服务器节点来完成,而这些过程对客户机是透明的;为了保持服务的一致性,所有节点使用共享存储设备。
构建LVS负载均衡群集——地址转换模式(LVS-NAT)_第1张图片

  • 第一层,负载调度器(Load Balancer或Director)
    这是访问整个群集系统的唯一入口,对外使用所有服务器共有的 VIP(Virtual IP,虚拟 IP)地址,也称为群集IP 地址。通常会配置主、备 两台调度器实现热备份,当主调度器失效以后能够平滑替换至备用调度器,确保高可用性。
  • 第二层,服务器池(Server Pool)
    群集所提供的应用服务(如 HTTP、FTP)由服务器池承担,其中每个节点具有独立的 RIP(Real IP,真实IP)地址,只处理调度器分发过来的客户机请求。当某个节点暂时失效时,负载调度器的容错机制会将其隔离,等待错 误排除以后再重新纳入服务器池。
  • 第三层,共享存储(Share Storage)
    为服务器池中的所有节点提供稳定、一致的文件存取服务,确保整个群集的统一性。在 Linux/UNIX环境中,共享存储可以使用 NAS 设备,或者提供NFS(Network File System,网络文件系统)共享服务的专用服务器。

1.3 负载均衡的工作模式

关于群集的负载调度技术,可以基于IP、端口、内容等进行分发,其中基于IP的负载调度是效率最高的。基于IP的负载均衡模式中,常见的有地址转换、IP 隧道和直接路由三种工作模式。

  • NAT模式
    构建LVS负载均衡群集——地址转换模式(LVS-NAT)_第2张图片
    地址转换(Network Address Translation):简称 NAT模式,类似于防火墙的私有网络结构,负载调度器作为所有服务器节点的网关,即作为客户机的访问入口,也是各节点回应客户机的访问出口。服务器节点使用私有IP地址,与负载调度器位于同一个物理网络,安全性要优于其他两种方式。
  • IP隧道
    构建LVS负载均衡群集——地址转换模式(LVS-NAT)_第3张图片
    IP 隧道(IP Tunnel):简称 TUN 模式,采用开放式的网络结构,负载调度器仅作为客户机的访问入口,各节点通过各自的Internet连接直接回应客户机,而不再经过负载调度器。服务器节点分散在互联网中的不同位置,具有独立的公网IP地 址,通过专用IP隧道与负载调度器相互通信。
  • 直接路由
    构建LVS负载均衡群集——地址转换模式(LVS-NAT)_第4张图片
    直接路由(Direct Routing):简称 DR 模式,采用半开放式的网络结构,与 TUN模式的结构类似,但各节点并不是分散在各地,而是与调度器位于同一个物理网络。 负载调度器与各节点服务器通过本地网络连接,不需要建立专用的IP隧道。
    总结:
    以上三种工作模式中,NAT 方式只需要一个公网 IP 地址,从而成为最易用的一种负载均衡模式,安全性也比较好,许多硬件负载均衡设备就采用这种方式。相比较而言,DR 模式和 TUN 模式的负载能力更加强大,适用范围更广,但节点的安全性要稍差一些。

二 LVS虚拟服务器

把调度器和节点服务器组成的群集合称虚拟服务器(LVS)。
Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目,实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用,LVS为基于IP地址和内容请求分发的负载均衡提出了一种高效的解决方法。
LVS 现在已成为 Linux 内核的一部分,默认编译为 ip_vs 模块,必要时能够自动调用。
手动加载ip_vs模块并查看版本信息

[root@localhost ~]# modprobe ip_vs
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs

2.1 LVS的负载调度算法

  • 轮询(Round Robin):将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点,均等地对待每台服务器,而不管服务器实际的连接数和系统负载。
  • 加权轮询(Weighted Round Robin):根据调度器设置的权重值来分发请求,权重值高的节点优先获得任务并且分配的请求越多,这样可以保证性能高的节点承担更多请求。
  • 最少连接(Least Connections):根据真实服务器已建立的连接数进行分配,将收到的访问请求优先分配给连接数最少的节点。如果所有的服务器节点性能相近,采用这种方式可以更好地均衡负载。
  • 加权最少连接(Weighted Least Connections):在服务器节点的性能差异较大的情况下,调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重,权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载。

2.2 ipvsadm管理工具

ipvsadm 是在负载调度器上使用的 LVS 群集管理工具,通过调用 ip_vs 模块来添加、删除服务器节点 ,以 及查看群集的运行状态。在CentOS 7 系 统 中 , 需要手动安装 ipvsadm.x86_64 0:1.27-7.el7 软件包。

yum -y install ipvsadm
查看ipvsadm版本
ipvsadm -v

(1)创建虚拟服务器
例:群集VIP地址为20.0.0.21,针对TCP80端口提供负载分流服务,使用的调度算法为轮询,则对应的ipvsadm命令操作如下。对于负载均衡调度器来说,VIP必须是本机实际已启用的IP地址。

[root@localhost ~]# ipvsadm -A -t 20.0.0.21:80 -s rr

选项-A表示添加虚拟服务器,-t指定VIP地址及TCP端口,-s用来指定负载均衡调度算法——轮询(rr),加权轮询(wrr),最少连接(lc),加权最少连接(wlc)。
(2)添加服务器节点
例:为虚拟服务器20.0.0.21添加两个服务器节点,IP地址依次为20.0.0.22、20.0.0.23,对应的ipvsadm命令操作如下。若使用保持连接,还应该添加“-p 60”选项,其中60为保持时间(秒)。

[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 20.0.0.21:80 -r 192.168.100.22:80 -m
[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 20.0.0.21:80 -r 192.168.100.23:80 -m

-a表示添加真实服务器,-t表示指定VIP地址及TCP端口,-r用来指定RIP地址及TCP端口;-m表示使用NAT群集模式,-g表示使用DR模式,-i表示TUN模式;-w用来设置权重。
(3)查看群集节点状态

[root@localhost ~]# ipvsadm -ln

其中Forward列下的Masq对应Masquerade(地址伪装),表示采用NAT群集模式,如果是Route,则表示采用DR群集模式。
(4)删除服务器节点
删除服务器池中某一个节点时使用选项-d。
例:删除LVS群集20.0.0.21中的节点20.0.0.23。

[root@localhost ~]# ipvsadm -d -r 192.168.100.23:80 -t 20.0.0.21:80

删除整个LVS群集时,使用选项-D。

ipvsadm -D -t 20.0.0.21:80

(5)保存负载分配策略
使用导出/导入工具ipvsadm-save/ipvsadm-restore可以保存、恢复LVS策略,类似于iptables规则的导出、导入。

ipvsadm-save > /opt/ipvsadm

三 构建LVS-NAT群集

3.1 实验环境

角色 系统 IP地址
负载调度器 Linux centos7.6 20.0.0.21(外)192.168.100.21(内)
web节点服务器1 Linux centos7.6 192.168.100.22
web节点服务器2 Linux centos7.6 192.168.100.23
存储共享服务器 Linux centos7.6 192.168.100.24

3.2 NFS共享服务器配置

NFS 服务的实现依赖于 RPC(Remote Process Call,远端过程调用)机制,以完成远程到本地的映射过程。在 CentOS 7 系统中,需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供 NFS 共享服务,前者用于 NFS 共享发布和访问,后者用于 RPC 支持。

存储服务器(192.168.100.24)

  • 关闭防火墙、核心防护
[root@localhost opt]# systemctl stop firewalld
[root@localhost opt]# setenforce 0
[root@localhost opt]# vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled
  • 安装nfs-util、rpcbind软件包
[root@nfs ~]# yum -y install nfs-utils rpcbind
  • 创建共享目录
    NFS的配置文件为/etc/exports,文件内容默认为空(无任何共享)。在 exports 文件中设置共享资源时,记录格式为“目录位置 客户机地址(权限选项)”,其中客户机地址可以是主机名、IP 地址、网段地址,允许使用*、?通配符;权限选项 中的 rw 表示允许读写(ro 为只读),sync 表示同步写入
[root@localhost yum.repos.d]# mkdir /opt/51fei /opt/52fei
[root@localhost yum.repos.d]# cd /opt/
[root@localhost opt]# echo "this is www.51fei.top" >/opt/51fei/index.html
[root@localhost opt]# echo "this is www.52fei.top" >/opt/52fei/index.html
[root@localhost opt]# cat /opt/51fei/index.html 
this is www.51fei.top
[root@localhost opt]# cat /opt/52fei/index.html 
this is www.52fei.top

[root@localhost opt]# vi /etc/exports
/opt/51fei 192.168.100.0/24(rw,sync)
/opt/52fei 192.168.100.0/24(rw,sync)
  • 开启nfs、rpcbind服务并查看本机发布的 NFS 共享目录
[root@localhost opt]# systemctl restart nfs rpcbind
[root@localhost opt]# systemctl enable nfs rpcbind

[root@localhost opt]# showmount -e
Export list for localhost.localdomain:
/opt/52fei 192.168.100.0/24
/opt/51fei 192.168.100.0/24

3.3 web节点服务器1配置

web服务器(192.168.100.22)

  • 关闭防火墙、核心防护
systemctl stop firewalld
setenforce 0
vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled
  • 安装FNS和apache
yum -y install nfs-utils
yum -y install httpd
systemctl start httpd
systemctl enable httpd
  • 查看NFS服务器端共享目录
[root@web1 ~]# showmount -e 192.168.100.24
Export list for 192.168.100.24:
/opt/51fei 192.168.100.0/24
/opt/52fei 192.168.100.0/24
  • 挂载NFS共享目录并设置永久挂载
mount 192.168.100.24:/opt/51fei /var/www/html/

vi /etc/fstab 
/dev/cdrom /mnt iso9660 defaults 0 0
192.168.100.24:/opt/51fei /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0

3.4 web节点服务器2配置

web服务器(192.168.100.23)

  • 关闭防火墙、核心防护
systemctl stop firewalld
setenforce 0
vi /etc/selinux/config 
SELINUX=disabled
  • 安装FNS和apache并启动
yum -y install nfs-utils
yum -y install httpd
systemctl start httpd
systemctl enable httpd
  • 查看NFS服务器端共享目录
[root@web1 ~]# showmount -e 192.168.100.24
Export list for 192.168.100.24:
/opt/51fei 192.168.100.0/24
/opt/52fei 192.168.100.0/24
  • 挂载NFS共享目录并设置永久挂载
mount 192.168.100.24:/opt/52fei /var/www/html/

vi /etc/fstab 
/dev/cdrom /mnt iso9660 defaults 0 0
192.168.100.24:/opt/52fei /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0

3.5 负载均衡调度器配置

调度器(192.168.100.21[内网地址] 20.0.0.21[外网地址])

  • 添加新网卡
nmcli connection
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
ll
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
vi ifcfg-ens36
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens36
UUID=6997e18e-8932-3da9-b2fa-36cc95a0e99f
DEVICE=ens36
ONBOOT=yes
IPADDR=20.0.0.21
NETMASK=255.255.255.0
:wq
systemctl restart network
  • 搭建本地yum仓库
mount /dev/cdrom /mnt/
mkdir backup
mv C* backup/

vi CentOS-Base.repo

[centos]
name=CentOS
#mirrorlist=http://mirrorlist.centos.org/?release=$releasever&arch=$basearch&repo=centosplus&infra=$infra
#baseurl=http://mirror.centos.org/centos/$releasever/centosplus/$basearch/
baseurl=file:///mnt
gpgcheck=0
enabled=1
#gpgkey=file:///etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY-CentOS-7

yum clean all
yum makecache

对于 LVS 负载调度器来说,需开启路由转发规则,以便节点服务器能够访问 Internet。 所有的节点服务器、共享存储均位于私有网络内,其默认网关设为 LVS 负载调度器的内网地址。

  • 开启路由转发功能
[root@lvs ~]# vim /etc/sysctl.conf 
net.ipv4.ip_forward=1

[root@lvs ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
  • 配置负载分配策略
    群集VIP地址为20.0.0.21,针对TCP80端口提供负载分流服务,使用的调度算法为轮询;为虚拟服务器20.0.0.21添加两个服务器节点,IP地址依次为20.0.0.22、20.0.0.23,-m表示使用NAT群集模式;查看群集节点状态。
root@localhost ~]# ipvsadm -A -t 20.0.0.21:80 -s rr
[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 20.0.0.21:80 -r 192.168.100.22:80 -m
[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 20.0.0.21:80 -r 192.168.100.23:80 -m
[root@localhost ~]# ipvsadm -ln
  • 客户机登录验证
    用浏览器输入VIP地址20.0.0.21对LVS进行负载均衡验证

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