LVS负载均衡群集

一、企业群集应用概述

1、群集的含义

• Cluster，群集或者集群
• 由多台主机构成，但对外之表现为一个整体，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、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。

3、解决方法

• 使用价格昂贵的小型机、大型机
• 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集
  • 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
  • 在企业中常用的一种集群技术——LVS（Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器）

二、企业群集分类

根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型：

• 负载均衡群集
• 高可用群集
• 高性能运算群集

1、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，将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点，从环节整个系统的负载压力。例如“DNS轮询”、“反向代理”等

2、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的工作方式包括双工和主从两种模式，双工即所有节点同时在线；主从则只是主节点在线，但当出现故障时从节点能自动切换为主节点。例如“故障切换”“双击热备”等

3、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。例如“云计算”、“网格计算”等

三、负载均衡群集架构

• 第一层，负载调度器（Load Balance或Director）
  • 访问整个集群系统的唯一入口，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。当某个节点展示失效时，负载调度器的容错机制会将其隔离，等待错误排除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

四、负载均衡群集工作模式分析

• 负载均衡群集时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
  • IP隧道
  • 直接路由

1、NAT模式（地址转换）

• Network Address Translation，简称NAT模式
• 类似于防火墙的私由网络结构，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
  

2、TUN（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，而不在经过负载调度器
• 服务器节点分散再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

3、DR（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，但各节点不是分散再各地，二十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

五、LVS虚拟服务器（Linux Virtual Server）

• 针对Linux内核开发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/
• 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。在CentOS 7系统中，以下操作可以手动加载ip_vs模块，并查看当前系统中ip_vs模块的版本信息。

1、LVS的负载调度算法

• 轮询（Round Robin）
  • 将收到访问请求按照顺序轮流分配给集群中的各节点（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取任务，分配的请求数越多
  • 保证性能强的服务器承担更多的访问流量
• 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最少的节点
• 加权最少连接（Weighted Least Connections)
  • 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
  • 性能较高的节点将更大比例的活动连接负载

2、LVS群集创建与管理

ipvsadm工具选项说明：

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）
-d	删除某一个节点
-t	指定VIP地址及TCP端口
-r	指定RIP地址及TCP端口
-m	百事使用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）
-p 60	表示保持长连接60秒（默认关闭连接保持）
-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。（ipvsadm -ln）

六、LVS-NAT部署实战

负载调度器：内网关 ens33：192.168.154.12，外网关 ens36：12.0.0.10
Web节点服务器1：192.168.154.14
Web节点服务器2：192.168.154.15
NFS服务器：192.168.154.13
客户端：12.0.0.11

1. 部署共享存储（NFS服务器：192.168.154…13）

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir /opt/kgc /opt/benet
chmod 777 /opt/kgc /opt/benet
echo 'this is kgc web!' > /opt/kgc/index.html
echo 'this is benet web!' > /opt/benet/index.html

vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/kgc 192.168.154.0/24(rw,sync)
/opt/benet 192.168.154.0/24(rw,sync)

---发布共享---
exportfs -rv

2. 配置节点服务器（192.168.154.14、192.168.154.15）

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

yum install httpd -y
systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service

yum install nfs-utils rpcbind -y
showmount -e 192.168.80.13

systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

--192.168.80.100---
mount.nfs 192.168.80.13:/opt/kgc /var/www/html

vim /etc/fstab
192.168.80.13:/opt/kgc		/var/www/html	nfs		defaults,_netdev	0  0

--192.168.80.101---
mount.nfs 192.168.80.13:/opt/benet /var/www/html
echo 'this is benet web!' > /var/www/html/index.html

vim /etc/fstab
192.168.80.13:/opt/benet	/var/www/html	nfs 	defaults,_netdev	0  0

3. 配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.154.12，外网关 ens36：12.0.0.10）

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

（1）配置SNAT转发规则
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1

或 echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl -p

iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.80.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.10

（2）加载LVS内核模块
modprobe ip_vs					#加载 ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs				#查看 ip_vs版本信息

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

（3）安装ipvsadm 管理工具
yum -y install ipvsadm

--启动服务前须保存负载分配策略---
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者 ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm

systemctl start ipvsadm.service

（4）配置负载分配策略（NAT模式只要在服务器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
ipvsadm -C 					#清除原有策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.10:80 -s rr [-p 60]
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.154.14:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.154.15:80 -m [-w 1]
ipvsadm						#启用策略

ipvsadm -ln					#查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm-save > /opt/ipvsadm						#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

---

ipvsadm -d -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.80.11:80 #删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.10:80 #删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm #停止服务（清空策略），如果selinux没关闭/etc/sysconfig/ipvsadm内容也会清空
systemctl start ipvsadm #启动服务（根据/etc/sysconfig/ipvsadm恢复策略）
ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm #恢复LVS 策略

---

4. 测试效果
   在一台IP为12.0.0.30的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.10/ ，不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点（或者关闭Web服务的连接保持）。