负载均衡——LVS-DR模式+keepalived部署实战（原理分析及详细实操）

前言

一：LVS-DR工作原理

1.1：DR模式概述

• 负载均衡群集工作模式–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
    

1.2：如何分析LVS-DR数据包流向？

• 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
  

• Client向目标VIP发出请求， Director（负载均衡器）接收。此时IP包头及数据帧头信息为
  

• Director根据负载均衡算法选择 Realserver_1，不修改也不封装IP报文，而是将数据帧的MAC地址改为RealServer_1的MAC地址，然后在局域网上发送。IP包头及数据帧头信息如下
  - RealServer_1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，发送到局域网。此时IP包头及数据帧头信息为
  

• Client将收到回复报文。 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，那么报文通过路由器经由 terne返回给用户

1.3：LVS-DR中存在的ARP问题

• 在LVS-DR负载均衡集群中，负载均衡器与节点服务器都要配置相同的VIP地址
  

• 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

  • 当一个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的网络上的，它们都会接收到ARP广播
  • 此时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

• 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

• RealServe返回报文（源IP是VIP）经路由器转发，在重新封装报文时需要先获取路由器的MAC地址
  

• 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（例如ens33）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
  

• 此时新来的请求报文，路由器根据ARP表项，会将该报文转发给RealServer，从而导致 Director的VIP失效

• 解决办法

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

3.4：解决上述两个ARP问题的方法

• 修改/etc/sysctl.conf文件
  • 对节点服务器进行处理，使其不响应针对VIP的ARP请求
  • net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
  • net.ipv4.conf.lo.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
  • net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
  • net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

二：LVS-DR部署

2.1：实验环境

• 为了进一步提高公司网站的负载能力，公司决定扩展现有的网站平台，基于LVS构筑负载均衡群集。考虑到群集的访问效率，管理员准备采用LVS群集的DR模式，共享存储设备存放在内部专有网络中
• LVS1：192.168.100.100
• LVS2：192.168.100.110
• Web1：192.168.100.200
• Web2：192.168.100.222
• VIP=192.168.100.10
• Win 10 ：192.168.100.50

2.2：实验拓扑图

2.3：实验目的

• win10客户机通过访问lvs调度器漂移IP地址可以成功访问web节点服务器内容

2.4：实验过程

2.4.1：调度器配置

• 两台LVS服务器都安装工具包

[root@lvs1 ~]# yum install keepalived ipvsadm -y	'//keepalived：双机热备要用到的，ipvsadm：调度管理要用'
[root@lvs2 ~]# yum install keepalived ipvsadm -y

• 两台LVS服务器都开启路由转发，关闭重定向

[root@lvs1 ~]# vim /etc/sysctl.conf 
'//尾行插入下段配置'
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
[root@lvs1 ~]# sysctl -p	'//重载配置，使之生效'
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

• 两台LVS服务器都创建脚本便于service管理

[root@lvs1 network-scripts]# vim /etc/init.d/dr.sh
'//编辑以下脚本内容'
#!/bin/bash
GW=192.168.100.1
VIP=192.168.100.10   ##虚拟ip
RIP1=192.168.100.200 ##真实web服务器ip
RIP2=192.168.100.222
case "$1" in
start)
                /sbin/ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm  ##保存配置
                systemctl start ipvsadm  ##启动服务
                /sbin/ifconfig ens33:0 $VIP broadcast $VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $VIP up  
##设置ens33:0地址，广播地址，子网掩码，并开启
                /sbin/route add -host $VIP dev ens33:0  ##添加路由网段信息
                /sbin/ipvsadm -A -t $VIP:80 -s rr ##指定虚拟服务访问入口，指定轮询算法
                /sbin/ipvsadm -a -t $VIP:80 -r $RIP1:80 -g ##指定真实服务器，dr模式
                /sbin/ipvsadm -a -t $VIP:80 -r $RIP2:80 -g
                echo "ipvsadm starting --------------------[ok]"
                ;;
stop)
                /sbin/ipvsadm -C   ##清空缓存
                systemctl stop ipvsadm  ##关闭服务
                ifconfig ens33:0 down  ##关闭接口
                route del $VIP   ##删除路由信息
                echo "ipvsamd stoped----------------------[ok]"
                 ;;
status)
                if [ ! -e /var/lock/subsys/ipvsadm ];then  ##判断文件存在与否决定状态
                echo "ipvsadm stoped---------------"
                exit 1
                                else
                                echo "ipvsamd Runing ---------[ok]"
                fi
                ;;
*)
                echo "Usage: $0 {
     start|stop|status}"
                exit 1
esac
exit 0
[root@lvs1 network-scripts]# chmod +x /etc/init.d/dr.sh 

• 两台LVS服务器都修改网卡为仅主机模式
  
• 两台LVS服务器都为ens33配置IP地址、ens33:0配置ⅥP地址

[root@lvs1 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@lvs1 network-scripts]# cp -p ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0	
[root@lvs1 network-scripts]# vim ifcfg-ens33:0	'//配置虚拟ip地址'
'//删除原本内容，添加以下配置'
DEVICE=ens33:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.100.10
NETMASK=255.255.255.0
[root@lvs1 network-scripts]# vim ifcfg-ens33
'//...省略内容，修改为static'
BOOTPROTO=static
'//...省略内容，尾行添加内容'
IPADDR=192.168.100.100
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.100.1
[root@lvs2 network-scripts]# vim ifcfg-ens33
    '//注意lvs2的IP地址为192.168.100.110'
IPADDR=192.168.100.110

• 两台LVS服务器都重启各项配置

[root@lvs1 network-scripts]# systemctl restart network
[root@lvs1 network-scripts]# ifup ens33:0
[root@lvs1 network-scripts]# service dr.sh start
ipvsadm starting --------------------[ok]
[root@lvs1 network-scripts]# systemctl stop firewalld.service 
[root@lvs1 network-scripts]# setenforce 0

2.4.2：配置两台节点IP地址绑定VIP

• LVS-DR中，两台节点服务器要配置绑定VIP地址

• VIP地址仅用作Web响应数据包的源地址，并不监听客户机的访问请求

• 都修改为仅主机模式

• 两台节点服务器为ens33配置IP地址，为lo：0配置VIP地址

[root@web1 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@web1 network-scripts]# cp -p ifcfg-lo ifcfg-lo:0
[root@web1 network-scripts]# vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
IPADDR=192.168.100.10
NETMASK=255.255.255.0
ONBOOT=yes
[root@web1 network-scripts]# vim ifcfg-ens33
'//...省略内容，修改为static'
BOOTPROTO=static
'//...省略内容，尾行添加内容'
IPADDR=192.168.100.200
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.100.1
'//其中web2服务器修改为192.168.100.222'
IPADDR=192.168.100.222

• 两台LVS服务器都重启各项配置

[root@lvs1 network-scripts]# systemctl restart network
[root@lvs1 network-scripts]# ifup ens33:0
[root@lvs1 network-scripts]# service dr.sh start
ipvsadm starting --------------------[ok]
[root@lvs1 network-scripts]# systemctl stop firewalld.service 
[root@lvs1 network-scripts]# setenforce 0

2.4.2：配置两台节点IP地址绑定VIP

• LVS-DR中，两台节点服务器要配置绑定VIP地址

• VIP地址仅用作Web响应数据包的源地址，并不监听客户机的访问请求

• 都修改为仅主机模式
  

• 两台节点服务器为ens33配置IP地址，为lo：0配置VIP地址

[root@web1 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@web1 network-scripts]# cp -p ifcfg-lo ifcfg-lo:0
[root@web1 network-scripts]# vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
IPADDR=192.168.100.10
NETMASK=255.255.255.0
ONBOOT=yes
[root@web1 network-scripts]# vim ifcfg-ens33
'//...省略内容，修改为static'
BOOTPROTO=static
'//...省略内容，尾行添加内容'
IPADDR=192.168.100.200
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.100.1
'//其中web2服务器修改为192.168.100.222'
IPADDR=192.168.100.222

2.4.3：节点服务器配置抑制ARP响应

配置抑制ARP脚本
[root@web1 network-scripts]# vim /etc/init.d/web.sh
#!/bin/bash
VIP=192.168.100.10
                case "$1" in
                start)
                                ifconfig lo:0 $VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $VIP
                                /sbin/route add -host $VIP dev lo:0
                                echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore   '//arp忽略'
                                echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
                                echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
                                echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
                                sysctl -p >/dev/null 2>&1
                                echo "RealServer Start OK "
                                ;;
                stop)
                                ifconfig lo:0 down
                                route del $VIP /dev/null 2>&1
                                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore '//arp开启'
                                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
                                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
                                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
                                echo "RealServer Stopd"
                                ;;
                *)
                                echo "Usage: $0 {
     start|stop}"
                                exit 1
                esac
                exit 0
[root@web1 network-scripts]# chmod +x /etc/init.d/web.sh 

2.4.4：两台节点服务器配置测试网址

• 在两台节点服务器上安装配置并启用httpd服务器，分别创建测试网页，测试网页内容要不相同，以区别不同的节点服务器

[root@web1 ~]# yum install httpd -y
[root@web2 ~]# yum install httpd -y
[root@web1 ~]# vim /var/www/html/index.html
this is web1 web
[root@web2 ~]# vim /var/www/html/index.html
this is web2 web

• 重启各项服务

[root@web1 network-scripts]# systemctl restart network
[root@web1 network-scripts]# ifup lo:0
[root@web1 network-scripts]# service web.sh start
RealServer Start OK 
[root@web1 network-scripts]# systemctl start httpd
[root@web1 network-scripts]# systemctl stop firewalld.service 
[root@web1 network-scripts]# setenforce 0
   

2.5：实验验证

• 修改win10主机IP地址
  
• 使用win10访问192.168.100.10验证
  
• 验证成功

---

三：keepalived实现原理

3.1：keepalived工具概述

• 专为LVS和HA设计的一款健康检查工具
  • 支持故障自动切换（ Failover）
  • 支持节点健康状态检查（ Health Checking）
  • 官方网站http://www.keepalived.org

3.2：原理解析

• Keepalived采用VRRP热备份协议实现Linux服务器的多机热备功能

• VRRP，虚拟路由冗余协议，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提供服务，其他路由器处于冗余状态

• 若当前在线的路由器失效，则其他路由器会根据设置的优先级自动接替虚拟IP地址，继续提供服务

四：如何部署Keepalievd

4.1：Keepalievd部署概述

• Keepalived可实现多机热备，每个热备组可有多台服务器，最常用的就是双机热备

• 双机热备的故障切换是由虚拟IP地址的漂移来实现，适用于各种应用服务器

• 本次部署将实现基于web服务的双机热备
  

4.2：Keepalievd安装与启动

• 在LVS群集环境中应用时，也需用到 lipvsadm管理工具
• YUM安装 Keepalived
• 启用 Keepalived服务

4.3：配置Keepalievd master服务器

• Keepalievd配置目录位于/etc/keepalievd/
• keepalievd.conf是主配置文件
  • global_defs{…}区段指定全局参数
  • vrrp_instance实例名称{…}区段指定VRRP热备参数
  • 注释文字以“！”符号开头
  • 目录samples/,提供了许多配置样例作为参考
• 常用配置选项
  • router_id HA_TEST_R1: 本路由器（服务器）的名称
  • vrrp_instance VI_1：定义VRRP热备实例
  • state MASTER：热备状态，MASTER表示主服务器
  • interface ens33：承载VIP地址的物理接口
  • virtual_router_id 1：虚拟路由器的ID号，每个热备组保持一致
  • priority 100：优先级，数值越大优先级越高
  • advert_int 1：通告间隔秒数（心跳频率）
  • auth_type PASS：认证类型
  • auth_pass 123456：密码字串
  • virtual_ipaddress{vip}：指定漂移地址（VIP），可以有多个，多个漂移地址以逗号分隔

4.4：配置Keepalived slave服务器

• Keepalived备份服务器的配置与master的配置有三个选项不同
  • router_id:设为自由名称
  • state：设为BACKUP
  • priority：值低于主服务器
• 其他选项与master相同

4.5：Keepalived双机热备效果测试

• 测试双机热备的效果
  • 主、备机均启用Web服务，内容相同
  • 先后禁用、启用主服务器的网卡，执行以下测试
• 测试1：使用ping检测19216810.72的连通性
• 测试2：访问htt:/192168.10.72，确认可用性及内容变化
• 测试3：查看日志文件/var/log/messages中的变化

五：双机热备keepalived配置

• 两台lvs调度器配置

[root@lvs1 ~]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf 
! Configuration File for keepalived

global_defs {
     
   notification_email {
     
     [email protected]
     [email protected]
     [email protected]
   }
   notification_email_from [email protected]
   smtp_server 127.0.0.1	'//邮件协议指向自己'
   smtp_connect_timeout 30
   router_id LVS_01	'//router_id不能相同'
   vrrp_skip_check_adv_addr
   vrrp_strict
   vrrp_garp_interval 0
   vrrp_gna_interval 0
}

vrrp_instance VI_1 {
     
    state MASTER	'//主服务器为MASTER，备服务器为BACKUP'
    interface eth0
    virtual_router_id 10	'//主备组号要相同'
    priority 100	'//优先级，备服务器的优先级要小于主'
    advert_int 1
    authentication {
     
        auth_type PASS
        auth_pass 1111	'//主备密码要相同'
    }
    virtual_ipaddress {
     
        192.168.100.10
    }
}
virtual_server 192.168.100.10 80 {
     
    delay_loop 6
    lb_algo rr	'//轮询算法'
    lb_kind DR	'//修改为DR模式'
    persistence_timeout 50
    protocol TCP

    real_server 192.168.100.200 80 {
     	'//节点1配置'
        weight 1
        TCP_CHECK {
     
            connect_port 80
            connect_timeout 3
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
        }
    }

    real_server 192.168.100.222 80 {
     		'//节点2配置'
        weight 1
        TCP_CHECK {
     
            connect_port 80
            connect_timeout 3
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
        }
    }
}

• 第二台lvs调度器与第一台调度器不同的地方

[root@lvs1 ~]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf 
...省略内容
router_id LVS_02 '//router_id不能相同'
...省略内容
vrrp_instance VI_1 {
     
    state BACKUP	'//此处选择为BACKUP备服务器'
    interface eth0
    virtual_router_id 10
    priority 90	'//优先级需要低于主服务器'
...省略内容
'//其他配置都相同'

• 开启keepalived服务

[root@lvs1 ~]# systemctl start keepalived
[root@lvs2 ~]# systemctl start keepalived

5.1：实验验证

• 修改win10主机IP地址
  

• 使用win10访问192.168.100.10验证
  
  

• 此时可以关闭主服务器的漂移地址 ifdown ens33:0，再次访问页面，发现依然可以访问，双机热备成功

• 两台服务器多刷新几次会显示另一台web首页

• 若无法显示网页，尝试重启两台lvs服务器的dr.sh脚本或其他服务