LVS负载均衡群集部署——NAT模式

一、群集概述

• 集群、群集
• 由多台主机构成，但对外，只表现为一个整体，只提供一个访问入口（域名或IP），相当于一台大型计算机。

1、群集存在的必要

• 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，单台服务器无法满足负载均衡及高可用的需求。

2、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来达到服务器高可用和负载均衡，并于同一个IP地址对外提供相同服务。
• 这就是企业中常用的一种群集技术——LVS（Linux Virtual Server ，Linux虚拟服务器）。

3、根据集群针对的目标差异分类

• 负载均衡群集
• 高可用群集
• 高性能群集

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，从而缓解整个系统的负载。

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；主从则只有主节点在线，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”、“双机热备” 等。

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。

二、负载均衡群集架构

第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)

• 对外，由调度器服务器提供一个VIP作为统一入口，对内，按照分流算法分发流量/请求给服务器池

第二层，服务器池(Server Pool)

• 服务器接收、响应、处理负载调度器的任务

第三层，共享存储(Share Storage)

• 共享存储为服务器提供存储空间

三、负载均衡群集工作模式分析

• 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3种工作模式

地址转换（NAT模式）
IP隧道 （TUN模式）
直接路由（DR模式）

1、NAT模式

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

2、TUN模式

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
• 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

3、DR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

4、三种工作模式的区别

工作模式	NAT模式	TUN模式	DR模式
server number（节点数量）	low 10-20	high 100	hign 100
真实网关	负载调度器	自由路由器	自由路由器
IP地址	公网+私网	公网	私网
优点	安全性高	安全、速度快	性能最好
缺点	效率低、压力大	需要安全隧道、贵	不能跨越LAN（局域网）

四、LVS虚拟服务器

1、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.orgl
• 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

2、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。

modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs    #确认内核对LVS的支持

五、LVS的负载调度算法

1、轮询(Round Robin)

• 将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点(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数和系统负载

2、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得任务，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

3、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数最少的节点

4、加权最少连接(Weighted L east 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
• 性能较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

六、ipvsadm工具

ipvsadm功能与选项说明

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	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
-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

七、NAT模式LVS负载均衡群集部署

• LVS调度器作为Web 服务器池的网关，LVS具有两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr）调度算法

环境配置

主机	操作系统	IP地址	工具/软件/安装包
负载均衡器	CentOS7	内网：192.168.184.10、外网：12.0.0.1	ipvsadm
NFS服务器	CentOS7	192.168.184.20	rpcbind、nfs-utils
Web节点服务器1	CentOS7	192.168.184.30	rpcbind、nfs-utils、httpd
Web节点服务器2	CentOS7	192.168.184.40	rpcbind、nfs-utils、httpd
客户端	Windows10	12.0.0.12	——————

1、部署共享存储（NFS服务器：192.168.92.14）

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

yum -y install nfs-utils rpcbind

systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir -p /opt/xc/
mkdir -p /opt/benet/
chmod 777 /opt/xc/ /opt/benet/

vim /etc/exports
/usr/share *(ro,rw,sync)
/data/host1 192.168.92.0/24(ro)
/data/host2 192.168.92.0/24(ro)

exportfs -rv

2、配置节点服务器（192.168.92.12、192.168.92.13）

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

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

yum -y install nfs-utils rpcbind
showmount -e 192.168.92.14

systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

3、配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.92.11，外网关 ens37：12.0.0.20）

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 192.168.92.0/24 -o ens35 -j SNAT --to-source 12.0.0.20

（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

（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
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 12.0.0.20:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.20:80 -r 192.168.92.12:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 12.0.0.20:80 -r 192.168.92.13:80 -m -w 1
ipvsadm						#启用策略

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

4、测试效果

在一台IP为12.0.0.12的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.20/ ，不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点。
部署完成！