理论——LVS 负载均衡群集

一、企业群集应用概述

1.1 群集的含义

• Cluster，集群、群集
• 由多台主机构成，但对外只表现为一个整体

1.2 问题

• 物联网应用中，随着站点对硬件性能、响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求越来越高，单台服务器力不从心

1.3 解决方法

• 使用价格昂贵的小型机、大型机
• 使用普通服务器构建服务群集

二、企业群集分类

2.1根据群集所针对的目标差异，功能上可分为三种类型

• 负载均衡群集
  ◆ 进行健康状态检查，管理调度
• 高可用群集
  ◆ 两个负载均衡服务器，实现高可用，即使有一个负载均衡服务器挂了，也依旧可用，也有可靠性，；两台服务器地理位置不一定在一起，也可以一台在北京，一个在南京
• 高性能运算群集
  ◆ 一个大的服务请求过来，单个处理30分钟的，被分派到下面各个节点，减少时间

2.2 负载均衡群集(Load Balance Cluster)

• 提高应用系统的响应能力、尽可能处理更过的访问请求、减少延迟为目标，获得高并发、高负载（LB）的整体性能
• LB的负载分配依赖于主节点的分流算法（分流算法就是调度算法）

2.3 高可用群集（High Availability Cluster）

• 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
  ◆ HA 就是高可用的意思，群集可以支持高可用
• HA的工作方式包括双工和主从两种模式
  ◆ 双工就是两台服务器都处于工作状态，去中心化的群集机制，属于平级，接收到的信息都可以处理；去中心化机制实例：比如说redis
  ◆ 主从是中心化群集，有一个是master，其他的都是从服务器，用来做备份

2.4 高性能运算群集（High Performance Computer Cluster）

• 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
• 高性能运算群集的高性能依赖于“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
  ◆ 把普通服务器整合起来，获得相当于超级计算机的高级别算力
  ◆ 算力：CPU,GPU，主板芯片，带宽，可以优化计算机运行速度的，都在算力的考虑内

三、负载均衡群集架构

3.1 负载均衡的结构

• 第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）
• 第二层，服务器池（Server Pool）
• 第三层，共享存储（Share Storage）

四、负载均衡群集工作模式分析

• 负载均衡群集是目前企业用得最多的群集类型
• 群集的负载调度技术有三种工作模式
  ◆ 地址转换——NAT模式
  ◆ IP隧道
  ◆ 直接路由——DR 模式

4.1 NAT模式——地址转换

• Network Address Translation，简称NAT模式
• 类似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管，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

4.2 TUN模式——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

注：

• 专用IP隧道进行加密————，隧道加密，数据加密
• 调度器是唯一的入口

4.3 DR模式————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

工作模式	特点
NAT模式——地址转换（Network Address Translation）	类似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管，即作为客户机的访问入口，负载调度器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
TUN模式——IP隧道（IP Tunnel）	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，所有节点都具有独立的公网IP地址，通过专用IP隧道与负载调度器相互通信
DR模式——直接路由（Direct Routing）	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

注：

• LVS只能基于四层的tcp/udp协议进行过滤
• nginx是7层
• 阿里云的SLB是基于四层和7层的协议进行过滤

五、关于LVS虚拟服务器

5.1 Linux Virtual Server

• 针对Linux内核的负载均衡解决方案
• 1998年5月，由我国的章文嵩博士创建
• 官方网站：http：//www.linuxvirtualserver.org/

5.2 LVS的负载调度算法

5.2.1 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（真实服务器），均等地对待每一台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载

5.2.2 加权轮询（Weighted Round Robin）

• 根据真实服务器的处理能力轮流分配收到的访问请求，调度器可以自动查询各节点的负载情况，并动态调整其权重
• 保证处理能力强的服务器承担更多的访问流量

注：
加权轮询：又叫权重，分配访问的个数

5.2.3 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

5.2.4 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，可以为真实服务器自动调整权重
• 权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

六：ipvsadm工具

6.1 LVS群集创建与管理