LVS 负载均衡集群 - DR+Keepalived 高可用群集

一、LVS-DR 数据包流向分析

为方便进行原理分析，将 Client 与群集机器放在同一网络中，数据包流经的路线为 1-2-3-4

① Client 向目标 VIP 发出请求，Director（负载均衡器）接收

• 此时源 MAC 地址为 Client 的 MAC 地址
• 目标 MAC 地址为调度器 Director 的 MAC 地址

② Director 根据负载均衡算法选择 RealServer

• 不修改也不封装 IP 报文，而是将数据帧的 MAC 地址改为 RealServer 的 MAC 地址，然后在局域网上发送

• 此时源 MAC 地址为 Director 的 MAC 地址，目的 MAC 地址为 RealServer 的 MAC 地址

③ RealServer 收到这个帧

• 解封装后发现目标 IP 与本机匹配（RealServer 事先绑定了 VIP），于是处理这个报文

• 随后重新封装报文，将响应报文通过 lo 接口传送给物理网卡然后向外发出

• 此时源 MAC 地址为 RealServer 的 MAC 地址，目的 MAC 地址为 Client 的 MAC 地址

④ Client 将收到回复的报文

• Client 认为得到正常的服务，而不会知道是哪一台服务器处理的

• 注意：如果跨网段，则报文通过路由器会经由 Internet 返回给用户

二、LVS-DR 中的 ARP 问题

在LVS-DR负载均衡集群中，负载均衡与节点服务器都要配置相同的VIP地址

但在局域网中具有相同的 IP 地址，势必会造成各服务器 ARP 通信的紊乱

• 当 ARP 广播发送到 LVS-DR 集群时，因为负载均衡器和节点服务器都是连接到相同网络上，它们都会接收到 ARP 广播
• 只有前端的负载均衡器进行响应，其他节点服务器不应该响应 ARP 广播

这时，我们可以对节点服务器进行处理，使其不响应针对 VIP 的 ARP 请求

• 使用虚接口 lo:0 承载 VIP 地址
• 设置内核参数 arp_ignore=1（系统只响应目的 IP 为本地 IP 的 ARP 请求）

RealServer 返回报文（源 IP 是 VIP）经路由器转发，重新封装报文时，需要先获取路由器的 MAC 地址
且发送 ARP 请求时，Linux 默认使用 IP 包的源 IP 地址（即 VIP）作为 ARP 请求包中的源 IP 地址，而不使用发送接口的 IP 地址
路由器收到 ARP 请求后，将更新 ARP 表项
原有的 VIP 对应 Director 的 MAC 地址会被更新为 VIP 对应 RealServer 的 MAC 地址
而路由器根据 ARP 表项，会将新来的请求报文转发给 RealServer，导致 Director 的 VIP 失效
上述问题的解决方法：
对节点服务器进行处理，设置内核参数 arp_announce=2（系统不使用 IP 包的源地址来设置 ARP 请求的源地址，而选择发送接口的 IP 地址）

修改 /etc/sysctl.conf 文件

net.ipv4.conf.lo.arp_ignore=1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce=2
net.ipv4.conf.all.arp_ignore=1
net.ipv4.conf.all.arp_announce=2

三、LVS 负载均衡群集-DR模式

1.数据包流量分析

• 客户端发送请求到 Director Server (负载均衡器)，请求的数据报文(源 IP 是 CIP, 目标IP是 VIP)到达内核空间
• Director Server 和 Real Server 在同一个网络中，数据通过二层数据链路层来传输
• 内核空间判断数据包的目标 IP 是本机 VIP，此时 IPVS (IP
  虚拟服务器)比对数据包请求的服务是否是集群服务，是集群服务就重新封装数据包。修改源 MAC 地址为 Director Server 的MAC 地址，修改目标 MAC 地址为 Real Server 的 MAC 地址，源 IP 地址与目标 IP地址没有改变，然后将数据包发送给 Real Server
• 到达 Real Server 的请求报文的 MAC 地址是自身的 MAC 地址，就接收此报文；数据包重新封装报文(源 IP 地址为
  VIP，目标 IP 为 CIP)，将响应报文通过 lo 接口传送给物理网卡然后向外发出 Real Server 直接将响应报文传送到客户端

2.DR 模式的特点

• Director Server 和 Real Server 必须在同一个物理网络中
• Real Server 可以使用私有地址，也可以使用公网地址；如果使用公网地址，可以通过互联网对 RIP 进行直接访问
• Director Server 作为群集的访问入口，但不作为网关使用
• 所有的请求报文经由 Director Server，但回复响应报文不能经过 Director Server
• Real Server 的网关不允许指向 Director Server IP，即 Real
• Server 发送的数据包不允许经过 Director Server
• Real Server 上的 lo 接口配置 VIP 的 IP 地址

四、部署 LVS-DR 负载均衡集群

1.概述

在 DR 模式的群集中，LVS 负载调度器作为群集的访问入口，但不作为网关使用
服务器池中的所有节点都各自接入 Internet，发送给客户机的 Web 响应数据包不需要经过 LVS 负载调度器

• 这种方式入站、出站访问数据被分别处理，因此 LVS 负载调度器和所有节点服务器都需要配置有 VIP 地址，以便响应应对整个群集的访问
• 考虑到数据存储的安全性，共享存储设备会放在内部的专用网络内

2.环境

主机	操作系统	IP 地址
负载调度均衡器	CentOS 7	192.168.0.10
从负载调度均衡器	CentOS 7	192.168.0.50
Web节点服务器1	CentOS 7	192.168.0.20
Web节点服务器2	CentOS 7	192.168.0.30
NFS服务器	CentOS 7	192.168.0.40

3.配置负载调度器[主备都需要]

modprobe ip_vs
#加载ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs
#查看ip_vs版本信息

yum install -y ipvsadm

3.1 配置虚拟IP

采用虚接口的方式为网卡绑定 VIP 地址，以便响应群集访问

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0

vim ifcfg-ens33:0

DEVICE=ens33:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.0.15
NETMASK=255.255.255.255

ifup ens33:0
#开启虚拟 ip

ifconfig ens33:0
#查看虚拟 ip

3.2 调整proc参数

对于 DR 集群来说，由于由于 LVS 负载调度器和各节点需要共用 VIP 地址，应该关闭 Linux 内核的重定向参数响应

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_forward = 1
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0

sysctl -p

3.3 配置负载均衡策略

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm

ipvsadm -C
#清除原有策略

ipvsadm -A -t 192.168.0.15:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.0.15:80 -r 192.168.0.20:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.0.15:80 -r 192.168.0.30:80 -g
#若使用隧道模式，则结尾处 -g 替换为 -i

ipvsadm -ln
#查看节点状态，Route代表 DR模式

4.部署NFS共享存储

yum install -y nfs-utils rpcbind
systemctl start nfs rpcbind
systemctl enable nfs rpcbind

#创建共享文件夹并赋予权限
mkdir /opt/accp /opt/benet
chmod 777 /opt/accp /opt/benet

#创建网页文件
echo "
accp.com
" > /opt/accp/index.html
echo "
benet.com
" > /opt/benet/index.html

#配置nfs
vim /etc/exports
/opt/accp 192.168.0.0/24(rw,sync)
/opt/benet 192.168.0.0/24(rw,sync)

#发布共享
exportfs -rv
showmount -e

5.配置节点服务器

#此地址仅用做发送 Web 响应数据包的源地址，并不需要监听客户机的访问请求（改由调度器监听并分发）
#因此使用虚接口 lo:0 来承载 VIP 地址，并为本机添加一条路有记录，将访问 VIP 的数据限制在本地，以避免通信紊乱

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0

vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
IPADDR=192.168.0.15
NETMASK=255.255.255.255
ONBOOT=yes

ifup lo:0
ifconfig lo:0

route add -host 192.168.0.15 dev lo:0
#禁锢路由
route -n
#查看路由

vim /etc/rc.local
#添加VIP本地访问路由
/sbin/route add -host 192.168.0.15 dev lo:0

chmod +x /etc/rc.d/rc.local

5.1 调整内核的 ARP 响应参数

阻止更新 VIP 的 MAC 地址，避免发生冲突

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

sysctl -p

5.2 挂载NFS共享空间

yum -y install httpd
systemctl start httpd && systemctl enable httpd

#挂载
mount 192.168.0.40:/opt/accp /var/www/html
#Web2 mount 192.168.0.40:/opt/benet /var/www/html

#设置自动挂载
echo '192.168.0.40:/opt/accp /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0' >> /etc/fstab

mount -a

五、Keepalived 双机热备基础知识

Keepalived 起初是针对 LVS 设计的一款强大的辅助工具，主要用来提供故障切换（Failover）和健康检查（Health Checking）功能——判断 LVS 负载调度器、节点服务器的可用性，及时隔离并替换为新的服务器，当故障主机恢复后将其重新加入群集

1.Keepalived 的热备方式

Keepalived 采用 VRRP（虚拟路由冗余协议）热备份协议，以软件的方式实现 Linux 服务器的多机热备功能
复习一下：VRRP 是针对路由器的一种备份解决方案——由多台路由器组成一个热备组，通过共用的虚拟 IP 地址对外提供服务；每个热备组内同一时刻只有一台主路由器（Master）提供服务，其他路由器（Backup）处于冗余状态，若当前在线的路由器出现故障，则其他路由器会自动接替（优先级决定接替顺序）虚拟 IP 地址，以继续提供服务

热备组内的每台路由器都可能成为主路由器，虚拟路由器的 IP 地址（VIP）可以在热备组内的路由器之间进行转移，所以也称为漂移 IP 地址
使用 Keepalived 时，漂移地址的实现不需要手动建立虚接口配置文件，而是由 Keepalived 根据配置文件自动管理

2.使用 Keepalived 实现双机热备

基于 VRRP 协议的热备方式，Keepalived 可以用作服务器的故障切换，每个热备组可以有多台服务器——当然，最常用的还是双机热备
在双击热备方案中，故障切换主要针对虚拟 IP 地址的漂移来实现，因此可以适用于各种应用服务器（Web、FTP、Mail、SSH、DNS…）

六、LVS+Keepalived 高可用群集

Keepalived 的设计目标是构建高可用的 LVS 负载均衡群集，可以调用 ipvsadm 工具来创建虚拟服务器、管理服务器池，而不仅仅用作双机热备
使用 keepalived 构建 LVS 群集更加简便易用，主要优势在于：对 LVS 负载调度器实现热备切换，提高可用性；对服务器池中的节点进行健康检查，自动移除失效节点，恢复后再重新加入
以下将以 DR 模式的 LVS 群集为基础，增加一台从负载调度器，使用 keepalived 来实现主、从调度器的热备，从而兼有负载均衡、高可用性两种能力的 LVS 网站群集平台

1.配置LVS主备

yum -y install keepalived
#安装软件包

route add -host 192.168.0.15 dev ens33:0
#这一步很重要！禁锢虚拟网卡

cd /etc/keepalived/
cp keepalived.conf keepalived.conf.bak
#备份


vim keepalived.conf

global_defs {
     						#定义全局参数
    #第10行，邮件服务指向本地
	smtp_server 127.0.0.1
    #第12行，指定服务器（路由器）的名称，主备服务器名称须不同，主为LVS_01，备为LVS_02
	router_id LVS_01
}

vrrp_instance VI_1 {
     				#定义VRRP热备实例参数
#20行，指定热备状态，主为MASTER，备为BACKUP
    state MASTER
    #21行，指定承载vip地址的物理接口
    interface ens33
    #第22行，指定虚拟路由器的ID号，每个热备组保持一致	
    virtual_router_id 10
    #第23行，指定优先级，数值越大优先级越高，主为100，备为99
    priority 100
    advert_int 1					#通告间隔秒数(心跳频率)
    authentication {
     				#定义认证信息,每个热备组保持一致
		auth_type PASS				#认证类型
        第27行，指定验证密码，主备服务器保持一致
        auth_pass 123456
    }
    virtual_ipaddress {
     				#指定群集vip地址
        192.168.0.15
    }
}
#第34行，指定虚拟服务器地址(VIP)、端口，定义虚拟服务器和Web服务器池参数
virtual_server 192.168.0.15 80 {
     
    delay_loop 6					#健康检查的间隔时间(秒)
    lb_algo rr						#指定调度算法，轮询(rr)
    #第37行，指定群集工作模式，直接路由(DR)
    lb_kind DR
    persistence_timeout 50			#连接保持时间(秒)
    protocol TCP					#应用服务采用的是 TCP协议
    #第41行，指定第一个Web节点的地址、端口
    real_server 192.168.0.20 80 {
     
        weight 1					#节点的权重
        第43行，添加以下健康检查方式		
        TCP_CHECK {
     
			connect_port 80			#添加检查的目标端口
			connect_timeout 3		#添加连接超时(秒)
			nb_get_retry 3			#添加重试次数
			delay_before_retry 3	#添加重试间隔
		}
	}
	#第二个服务器站点
	real_server 192.168.0.30 80 {
     
        weight 1
        TCP_CHECK {
     
			connect_port 80
			connect_timeout 3
			nb_get_retry 3
			delay_before_retry 3
		}
	}
}

#将主LVS的配置文件覆盖并修改部分节省时间
scp keepalived.conf [email protected]:/etc/keepalived/keepalived.conf

systemctl start keepalived

ip a

2.测试

在客户机输入虚拟IP访问站点
延迟几秒刷新后可以看到轮询