LVS负载均衡群集——NAT模式
目录
一、群集概述
1、群集含义
2、使用群集的原因
3、群集的目的
二、企业群集应用概述
1、群集的三种类型
三、负载均衡群集
1、负载均衡群集架构
2、负载均衡群集的工作模式
4、 TUN模式（IP隧道）
5、 DR模式（直接路由）
四、LVS虚拟服务器
1、LVS虚拟服务器简介
2、LVS相关术语
3、LVS的负载调度算法
4、加载 ip_vs 通用模块
5、 加载 LVS 所有的负载调度算法
五、ipvsadm工具
六、LVS-NAT模式操作实例
1、部署NFS共享存储服务(NFS服务器：192.168.80.9/24)
2、部署两台WEB服务器（节点服务器）
3、部署LVS负载调度服务器
4、win10客户机访问测试
一、群集概述
1、群集含义
- Cluster，集群、群集
- 由多台主机构成，但对外只表现为一一个整体，只提供一-个访问入口(域名或IP地址)， 相当于一台大型计算机。
2、使用群集的原因
问题：
互联网应用中，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，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用的要求。
解决方法：
- 使用价格昂贵的小型机、大型机。（纵向扩容）
- 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。（横向扩容）
LVS群集技术：
- 在企业中常用的一种群集技术一LVS （Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器）
- 通过整合多台服务器，使用LVS来达到服务器的高可用和负载均衡，并以同一个IP地址对外提供相同的服务。
3、群集的目的
- 提高性能：计算密集应用。如天气预报，核试验模拟。
- 降低成本：相对百万美元的超级计算机，价格便宜。
- 提高可扩展性：只要增加集群节点即可。
- 增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。
二、企业群集应用概述
1、群集的三种类型
负载均衡群集、高可用群集和高性能运算群集。
负载均衡群集
- 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（LB）的整体性能
- LB的负载分配依赖于主节点的分流算法
高可用群集
- 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的工作方式包括双工和主从两种模式
高性能运算群集
- 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
三、负载均衡群集
1、负载均衡群集架构
第一层——负载调度器（Load Balancer或Director）
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，由服务器池承担，其中每个节点具有独立的RIP地址（真实IP），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，共享存储可以使用NAS设备，或者提供NFS共享服务的专用服务器。
2、负载均衡群集的工作模式
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（IP-TUN）
- 直接路由（DR模式）
通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR模式。
3、NAT模式（地址转换）
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。
- 缺点：由于NAT的负载均衡器既作为用户的访问请求入口，也作为节点服务器响应请求的出口，承载两个方向的压力，调度器的性能会成为整个集群的瓶颈。
4、 TUN模式（IP隧道）
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。承载的压力比NAT小。
- 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。
- 缺点：成本很高。
- 这种模式一般应用于特殊场景，比如将节点服务器分布在全国各地，防止被物理攻击（如地震、战争等），做灾备。
5、 DR模式（直接路由）
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，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。承载的压力比NAT小。
- 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。
四、LVS虚拟服务器
1、LVS虚拟服务器简介
Linux Virtual Server：
- 针对Linux内核开发的负载均衡
- 1998年5月，由我国的章文嵩博士创建
- 官方网站：www.linuxvirtualserver.org/
- LVS实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用，为基于IP地址和内容请求分发的负载均衡提出来一种高效的解决方法
2、LVS相关术语
DS：Director Server。指的是前端负载均衡器。
RS：Real Server。节点服务器，后端真实的工作服务器。
VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。
3、LVS的负载调度算法
1）固定调度算法：rr, wrr， dh，sh
rr：轮询算法（Round Robin）
- 将请求依次分配给不同的RS节点，即RS节点中均摊分配。适合于RS所有节点处理性能接近的情况。
- 将收到的访问请求安装顺序轮流分配给群集指定各节点（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。
wrr：加权轮询调度（Weighted Round Robin）
- 依据不同RS的权重值分配任务。权重值较高的RS将优先获得任务，并且分配到的连接数将比权值低的RS更多。相同权值的RS得到相同数目的连接数。
- 保证性能强的服务器承担更多的访问流量。
dh：目的地址哈希调度（destination hashing）
- 以目的地址为关键字查找一个静态hash表来获得所需RS。
sh：源地址哈希调度（source hashing）
- 以源地址为关键字查找--个静态hash表来获得需要的RS。
2）动态调度算法： wlc，lc，1blc
lc：最小连接数调度（ Least Connections）
- ipvs表存储了所有活动的连接。LB会比较将连接请求发送到当前连接最少的RS。
- 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。
wlc：加权最小连接数调度（Weighted Least Connections）
- 假设各台RS的权值依次为Wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次取Ti/Wi为最小的RS作为下一个分配的RS。
- 在服务器节点的性能差异较大时，可以为真实服务器自动调整权重。
- 性能较高的节点将承担更大比例的活动连接负载。
lblc：基于地址的最小连接数调度(locality-based least-connection)
- 将来自同一个目的地址的请求分配给同一-台RS，此时这台服务器是尚未满负荷的。否则就将这个请求分配给连接数最小的RS，并以它作为下一次分配的首先考虑。
4、加载 ip_vs 通用模块
LVS现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调动。
在CentOS 7 系统中，手动加载 ip_vs 模块的命令如下：
modprobe ip_vs //手动加载 ip_vs 模块
cat /proc/net/ip_vs //查看当前系统中ip_vs模块的版本信息5、 加载 LVS 所有的负载调度算法
LVS 所有的负载调度算法文件在 /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/ 目录下：
五、ipvsadm工具
ipvsadm是一个工具，同时它也是一条命令，用于管理LVS的策略规则。
ipvsadm是ipvs的管理器，需要yum安装。
ipvsadm工具的作用：
LVS群集创建与管理：
- 创建虚拟服务器
- 添加、删除服务器节点
- 查看群集及节点情况
- 保存负载分配策略
ipvsadm 命令选项说明：
| 选项 | 功能 |
| -A | 添加虚拟服务器 |
| -D | 删除整个虚拟服务器 |
| -s | 指定负载调度算法(轮询: rr、加权轮询: wrr、 最少连接: lc、 加权最少连接: wlc) |
| -a | 表示添加真实服务器(节点服务器) |
| -t | 指定VIP地址及TCP端口 （调度器使用） |
| -r | 指定RIP地址及TCP端口 （节点服务器使用） |
| -m | 表示使用NAT群集模式 |
| -g | 表示使用DR模式 |
| -i | 表示使用TUN模式 |
| -w | 设置权重（权重为0时表示暂停节点） ，默认值为1 |
| -p 60 | 表示保持长连接60秒。默认值就是60秒 |
| -l | 列表查看LVS虚拟服务器（默认为查看所有） |
| -n | 以数字形式显示地址、端口等信息，常与“-l”选项组合使用。-l需要在-n之前。ipvsadm -ln |
六、LVS-NAT模式操作实例
实验内容：
LVS调度器作为Web服务器池的网关，LVS两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr）调度算法。
实验环境：
一台NFS服务器： 192.168.80.9/24
两台WEB服务器： 192.168.80.3/24，192.168.80.5/24
一台LVS负载调度服务器（2块网卡）： 内网192.168.80.7/24（ens33)，外网12.0.0.254/24（ens36）
win10 客户机： 12.0.0.200/24
1、部署NFS共享存储服务(NFS服务器：192.168.80.9/24)
#1、关闭防火墙
[root@nfs ~]# systemctl disable --now firewalld
[root@nfs ~]# setenforce 0
#2、安装nfs-utils、rpcbind软件包
[root@nfs ~]# yum install nfs-utils rpcbind -y
#3、新建共享目录，并创建站点文件
[root@nfs ~]# mkdir /share/
[root@nfs ~]# cd /share/
[root@nfs share]# mkdir tt nn
[root@nfs share]# echo "tt is a boy" > tt/index.html
[root@nfs share]# echo "suzuka is a girl" > suzuka/index.html
#4、修改共享配置文件，设置共享策略
[root@nfs share]# pwd
/share
[root@nfs share]# vim /etc/exports
/share/tt 192.168.80.0/24
/share/nn 192.168.80.0/24
#5、启动两个服务，查看本机的NFS共享目录
[root@nfs share]# systemctl start rpcbind
[root@nfs share]# systemctl start nfs
[root@nfs share]# showmount -e //查看本机发布的NFS共享目录
2、部署两台WEB服务器（节点服务器）
第一台web服务器（192.168.80.3/24）
#1、关闭防火墙
[root@web1 ~]# systemctl stop firewalld
[root@web1 ~]# setenforce 0
#2、安装httpd
[root@web1 ~]# yum install -y httpd
#3、查看nfs服务器的共享信息
[root@web1 ~]# showmount -e 192.168.80.9
Export list for 192.168.80.9:
/share/suzuka 192.168.80.0/24
/share/tt 192.168.80.0/24
#4、挂载站点。将NFS服务器的共享目录/share/tt/，挂载到httpd服务的根目录
[root@web1 ~]# mount 192.168.80.9:/share/tt/ /var/www/html
[root@web1 ~]# df //查看挂载是否成功
[root@web1 ~]# cat /var/www/html/index.html //查看站点文件
tt is a boy
#5、指定网关，网关地址设置为负载调度器的内网地址
[root@web1 ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY=192.168.80.7
#DNS1=8.8.8.8
#6、重启网络服务，开启httpd服务
[root@web1 ~]# systemctl restart network
[root@web1 ~]# systemctl start httpd
第二台web服务器（192.168.80.5/24）
#1、指定网关，网关地址设置为负载调度器的内网地址
[root@web2 ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY=192.168.80.7
#DNS1=8.8.8.8
[root@web2 ~]# systemctl restart network
#2、关闭防火墙
[root@web2 ~]# systemctl stop firewalld
[root@web2 ~]# setenforce 0
#3、安装httpd
[root@web2 ~]# yum install -y httpd
#4、查看nfs服务器的共享信息
[root@web1 ~]# showmount -e 192.168.80.9
Export list for 192.168.80.9:
/share/nn 192.168.80.0/24
/share/tt 192.168.80.0/24
5. #挂载NFS的共享目录
[root@web1 ~]# mount 192.168.80.9:/share/suzuka/ /var/www/html
[root@web1 ~]# df //查看挂载是否成功
[root@web1 ~]# cat /var/www/html/index.html
suzuka is a girl
6. #开启httpd服务
[root@web1 ~]# systemctl start httpd
3、部署LVS负载调度服务器
内网网卡：192.168.80.7（ens33） ，外网网卡：12.0.0.254（ens36）
#1、添加一块网卡，我这里是ens36，配置网卡，重启网络
[root@lvs ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@lvs network-scripts]# vim ifcfg-ens33
#GATEWAY=192.168.80.2 //将网卡和DNS服务器地址注释掉
#DNS1=8.8.8.8
[root@lvs network-scripts]# cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
[root@lvs network-scripts]# vim ifcfg-ens36
IPADDR=12.0.0.254 //设置IP地址
NETMASK=255.255.255.0
#GATEWAY=192.168.80.2
#DNS1=8.8.8.8
[root@lvs network-scripts]# systemctl restart network
#2、关闭防火墙
[root@lvs ~]# systemctl stop firewalld
[root@lvs ~]# setenforce 0
#3、开启路由转发功能
[root@lvs ~]# vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1 //添加这一行
[root@lvs ~]# sysctl -p //读取修改后的配置
net.ipv4.ip_forward = 1
#4、配置SNAT策略（如果内网想主动连接外网的话，需要配置SNAT策略）
[root@lvs ~]# iptables -t nat -F
[root@lvs ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.80.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.254
[root@lvs ~]# iptables -nL POSTROUTING -t nat
#5、加载LVS内核模块
[root@lvs ~]# modprobe ip_vs //加载ip_vs模块
[root@lvs ~]# cat /proc/net/ip_vs //查看ip_vs模块的版本
#加载LVS所有调度算法
[root@lvs ~]# for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done
#6、安装ipvsadm管理工具，开启服务
[root@lvs ~]# mount /dev/sr0 /mnt
[root@lvs ~]# yum install -y ipvsadm
#开启服务前必须保存负载分配策略，生成/etc/sysconfig/ipvsadm文件。如果该文件不存在，服务无法启动。
[root@lvs ~]# ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm
[root@lvs ~]# systemctl start ipvsadm.service
#7、配置负载分配策略（NAT模式只需要在负载器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
[root@lvs ~]# ipvsadm -C //清空原有规则
#指定指定VIP地址及TCP端口，-s rr 指定负载调度策略为轮询
[root@lvs ~]# ipvsadm -A -t 12.0.0.254:80 -s rr
#先指定虚拟服务器再添加真实服务器地址，-r指定真实服务器地址，-m指定nat模式。-w指定权重值，权重为1时可省略不写
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 12.0.0.254:80 -r 192.168.80.3:80 -m -w 1
[root@lvs ~]# ipvsadm -a -t 12.0.0.254:80 -r 192.168.80.5:80 -m -w 1
[root@lvs ~]# ipvsadm //查看策略
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP localhost.localdomain:http rr
-> 192.168.80.3:http Masq 1 0 0
-> 192.168.80.5:http Masq 1 0 0
[root@lvs ~]# ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm //保存负载分配策略4、win10客户机访问测试
win10客户机，网关地址设置为负载调度器的外网IP。
浏览器访问负载调度器的外网IP地址12.0.0.254。
