LVS负载均衡群集+NAT部署
目录
一、LVS负载均衡群集的相关知识
1）群集的的定义及意义
群集的定义
群集的作用
群集的目的
企业级群集的类型
二、LVS负载均衡群集运用理论
1）负载均衡群集架构
2）LVS的基本原理
2）LVS负载均衡的三种模式
NAT（地址转换）
工作原理：
DR（直接路由）
工作原理：
TUN（IP隧道）
3）LVS虚拟机
4）LVS的负载调度算法
①固定调度算法：rr, wrr， dh，sh
②动态调度算法： wlc，lc，lblc
三、LVS部署前的必备掌握
1）ipvsadm 工具选项说明
2）ip_vs通用模块
四、LVS负载均衡-NAT模式的部署
1）NAT模式实验部署操作前的准备设计以及需求构想
实验需求
实验设备准备
各设备的IP设置如下：
2）NAT模式实验部署操作步骤
第一步：部署共享服务（主机IP：192.168.73.108）
第二步：配置节点服务器（192.168.73.106、192.168.73.107）
第三步：配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.73.105，外网关 ens36：12.0.0.1）
第四步：进行客户机测试
一、LVS负载均衡群集的相关知识
1）群集的的定义及意义
群集的定义
Cluster，集群（也称群集）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
群集的作用
对于企业服务的的性能提升一般会有两种方式：
- 纵向扩展 ： 对服务器的CPU 内存 硬盘 等硬件进行升级或者扩容来实现的 性能上限会有瓶颈，成本昂贵，收效比不高等问题
- 横向扩展 ： 通过增加服务器主机数量来应该高并发的场景
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
企业级群集的类型
- 负载均衡（LB）：提高应用系统的响应效率，处理更多的访问请求，减少延迟，提高并发和负载能力。 同时也是如今企业运用最多的群集类型。
- 高可用（HA）： 提高应用系统的可靠性，减少服务中断时间，确保服务的连续性
- 高性能运算（HPC）：将多台主机的硬件计算资源整合到一起实现分布式运用，比如 云计算
二、LVS负载均衡群集运用理论
LVS的相关话术：
- 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
1）负载均衡群集架构
第一层：负载调度器：通过VIP接收用户的请求，再通过调度算法确定要转发的节点服务器
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：服务器池中的节点服务器：通过RIP接收调度器转发来的请求，并处理请求进行响应
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 ：为各个节点服务器提供稳定、一致的文件存取服务，比如NAS+NFS，文件服务器+NFS，分布式对象存储等存储设备
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
（因为节点服务器的资源都是由NAS或NFS提供，所以NAS或NFS需要做主备、或分布式，从而实现高可用）
2）LVS的基本原理
- 当用户向负载均衡器（Director Server）发起请求，调度器将请求发送至内核空间
- Prerouting链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发送到INPUT链
- IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已经定义好的集群服务进行对比，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发送到POSTROUTING链
- POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送到后端的服务器
2）LVS负载均衡的三种模式
群集的负载调度技术有三种工作模式：地址转换（NAT模式） ，直接路由（DR模式），IP隧道（IP-TUN）。对于商用来说，最常用是NAT模式和DR模式
NAT（地址转换）
缺点：调度器作为所有节点服务器的网关，既作客户端的访问入口，也作节点服务器响应的访问出口，也就意味着调度器将成为整个集群系统的瓶颈
优点：由于再转发过程中做了地址转发，对于节点服务器的安全性比其它模式较好
调度器至少要有2个网卡，一个承载VIP用于接收客户端的请求，另一个用于使用私有IP在同一个局域网中与节点服务器相互通信
工作原理：
- 用户通过互联网DNS服务器解析到公司负载均衡设备上面的外网地址，相对于真实服务器而言，LVS外网IP又称VIP（Virtual IP Address），用户通过访问VIP，即可连接后端的真实服务器（Real Server），而这一切对用户而言都是透明的，用户以为自己访问的就是真实服务器，但他并不知道自己访问的VIP仅仅是一个调度器，也不清楚后端的真实服务器到底在哪里、有多少真实服务器
- 用户将请求发送至LVS负载均衡调度的器（同时也是网关服务器）的外网网卡上，此时LVS将根据预设的算法选择后端的一台真实服务器（内网中真实处理数据的web服务器），将数据请求包转发给真实服务器，并且在转发之前LVS会修改数据包中的目标地址以及目标端口，目标地址与目标端口将被修改为选出的真实服务器IP地址以及相应的端口
- 真实的服务器将响应数据包返回给LVS调度器，调度器在得到响应的数据包后会将源地址和源端口修改为VIP及调度器相应的端口，修改完成后，由调度器将响应数据包发送回终端用户，另外，由于LVS调度器有一个连接Hash表，该表中会记录连接请求及转发信息，当同一个连接的下一个数据包发送给调度器时，从该Hash表中可以直接找到之前的连接记录，并根据记录信息选出相同的真实服务器及端口信息
DR（直接路由）
特点： 调度器只负责接收客户端的请求，并根据调度算法转发给节点服务器；节点服务器在处理完请求后是直接响应返回给客户端，响应的数据包不经过调度器。DR模式要求调度器与后端服务器必须在同一个局域网内，VIP地址需要在调度器与后端所有的服务器间共享 。 性能比NAT模式高
调度器和节点服务器使用私有IP在同一个局域网中与节点服务器相互通信
工作原理：
- 用户发送请求到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
- 由于Director Server和 Real Server 在同一个网络中，所以是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IP，此时IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，重新封装数据包，修改源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP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.
- Real Server发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文，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
TUN（IP隧道）
架构与DR相类似，但是节点服务器分散在互联网各个位置，都具有独立的公网IP，通过专用IP隧道与调度器相互通信
- 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
- 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链，此时的源IP为CIP，目标IP为VIP
- PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包转发到INPUT链。
- IPVS对比数据包请求的服务是够为集群服务，若是，在请求报文的首部在封装一次IP报文，封装报文的源IP为DIP，目标IP为RIP。然后发送至POSTROUTING链。此时的源IP为DIP，目标IP为RIP
- POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发送至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。此时源IP为DIP，目标IP为RIP
- RS接收到数据包后发现是自己的IP地址，进行解封装的操作，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS处理此请求，处理完成后，通过lo接口送给eth0网卡，然后线外传递。此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
- 响应报文到达客户端
3）LVS虚拟机
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
4）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，lblc
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。
三、LVS部署前的必备掌握
1）ipvsadm 工具选项说明
| ipvsadm的选项 | 作用 |
| -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 | 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） |
| -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 |
2）ip_vs通用模块
ls /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs
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
加载所有LVS调度算法的for循环方式：
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
四、LVS负载均衡-NAT模式的部署
1）NAT模式实验部署操作前的准备设计以及需求构想
实验需求
通过NAT模式使外网客户机能够访问到相关的web服务，并且LVS调度器使内网中的web服务器达到负载均衡的效果。此外NFS共享存储为web服务提供更大的存储空间
实验设备准备
需要五台虚拟机（一台web1服务器，一台web2服务器，一台负载均衡调度器，一台NFS共享存储机，一台外网客户机做测试作用）
各设备的IP设置如下：
负载调度器：内网关 ens33：192.168.73.105，外网关 ens36：12.0.0.1
Web节点服务器1：192.168.73.106
Web节点服务器2：192.168.73.107
NFS服务器：192.168.80.108
客户端：12.0.0.12
NAT模式部署实验简图：
2）NAT模式实验部署操作步骤
第一步：部署共享服务（主机IP：192.168.73.108）
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
vim /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service
systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service
mkdir /opt/web1 /opt/web2
chmod 777 /opt/web1 /opt/web2
echo 'this is web test1 !' > /opt/web1/index.html
echo 'this is web test2!' > /opt/web2/index.html
vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/web1 192.168.73.0/24(rw,sync)
/opt/web2 192.168.73.0/24(rw,sync)
--发布共享---
exportfs -rv
第二步：配置节点服务器（192.168.73.106、192.168.73.107）
快捷工具使用：
两台web节点服务器相同的操作：
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
vim /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
yum install httpd -y
systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service
yum install nfs-utils rpcbind -y
showmount -e 192.168.73.108
systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbindweb1节点服务器的后续操作：
mount.nfs 192.168.73.108:/opt/web1 /var/www/html
vim /etc/fstab
192.168.73.108:/opt/web1 /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
mount -aweb2节点服务器的后续操作：
mount.nfs 192.168.73.108:/opt/web2 /var/www/html
vim /etc/fstab
192.168.73.108:/opt/web2 /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
第三步：配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.73.105，外网关 ens36：12.0.0.1）
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
vim /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
（1）配置SNAT转发规则（如果内网想主动连接外网的话，需要配置SNAT策略）
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
或 echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl -p
#安装iptables 如果是centos7 系统
yum install -y iptables-services iptables
iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.73.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1
（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 12.0.0.1:80 -s rr [-p 60]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.73.106:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.73.107:80 -m [-w 1]
ipvsadm #启用策略
ipvsadm -ln #查看节点状态，Masq代表 NAT模式保存LVS的配置策略以及删除策略的方法：
ipvsadm-save > /opt/ipvsadm #保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.73.106:80 #删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80 #删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm #停止服务（清空策略）
systemctl start ipvsadm #启动服务（根据/etc/sysconfig/ipvsadm重建配置）
ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm #恢复LVS 策略第四步：进行客户机测试
在一台IP为12.0.0.12的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.1/ ，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）
