LVS负载均衡群集--NAT模式

目录

前言

一：企业群集应用概述

 1、集群的含义

2、问题

3、 解决方法

二、企业群集分类

1、根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型

2、负载均衡群集(Load Balance Cluster)

3、 高可用群集(High Availability Cluster)

4、 高性能运算群集(High Performance Computer Cluster)

三：负载均衡群集架构 

1、 负载均衡的结构

（1）第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)

（2）第二层，服务器池(Server Pool)

（3）第三层，共享存储(Share Storage)

四： 负载均衡群集工作模式分析

1、群集的负载调度技术有3 种工作模式

2、NAT模式（地址转换）

3、 TUN模式（IP隧道）

4、DR模式（直接路由） 

5、LVS工作模式总结和比较

 五：LVS虚拟服务器

1、Linux Virtual Server

2、 LVS的负载调度算法

（1） 轮询(Round Robin)

（2）加权轮询(Weighted Round Robin)

（3）最少连接(Least Connections)

（4）加权最少连接(Weighted Least Connections)

3、LVS工作原理

4、LVS 功能及组织架构

5、应用于高访问量的业务

6、扩展应用程序

7、消除单点故障

8、同城容灾 （多可用区容灾）

9、 LVS集群类型中的术语

六：使用ipvsadm工具

 1、lvs群集创建与管理

2、 ipvsadm工具选项说明

七： NAT模式LVS负载均衡群集部署

           1、部署共享存储(NFS服务器：192.168.238.10)

 2、配置节点服务器(192.168.238.100、192.168.238.101 )

 3、配置负载调度器(内网关ens33：192.168.238.20，外网关ens36：12.0.0.1)

---

前言

LVS（Linux Virtual Server）Linux虚拟服务器，通过虚拟IP来接受请求，通过一定的方法（由LVS的模式决定）转发到对应的real server（RS）实际服务器，达到流量分发、负载均衡的目的。

LVS的实现只用到了OSI的底三层，不同的LVS模式，采用的方法不同。由于LVS的转发只涉及到OSI的底层协议。如TCP协议通讯，LVS不与client端建立TCP连接（可以理解成省去了TCP的三次握手），直接与real server建立连接，LVS只做数据包的转发。对比传统的七层，作用于应用层的负载均衡器（如Nginx）有着显著的性能优势。
有很多互联网公司，当在Nginx压力过大的情况下，都再用在Nginx的http服务器前面会搭建一个LVS负载均衡器来提升系统在并发情况下的高可用性。

一：企业群集应用概述

 1、集群的含义

• 由多台主机构成，但对外表现为一个整体，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
• Cluster，集群、群集,为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统

 目前的网站多数是7x24小时提供不同断网络服务，如果仅采用单点服务器对外提供网络服务，那么在出现单点故障时，将导致整个网络服务中断。这时我们需要部署集群架构，最终将成百上千台主机有机地结合在一起，以满足当前大数据时代的海量访问负载。/2、

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（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）
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群集技术——LVS (Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器)

二、企业群集分类

1、根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型

阿里云采用的是【SLB】

●负载均衡群集
●高可用群集
●高性能运算群集

2、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压力。例如，"DNS轮询” “反向代理”等
   

3、 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(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

4、 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 

1、 负载均衡的结构

（1）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。

（2）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。

（3）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

1、群集的负载调度技术有3 种工作模式

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3 种工作模式
地址转换
IP隧道
直接路由

2、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模式

3、 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

4、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

 

5、LVS工作模式总结和比较

	NAT	TUN	DR
优点	端口转换	WAN	性能最好
缺点	性能瓶颈	服务器支持隧道模式	不支持跨网段
真实服务器要求	any	Tunneling	Non-arp device
支持网络	private（私网）	LAN/WAN（私网/公网）	LAN（私网）
真实服务器数量	low (10~20)	High (100)	High (100)
真实服务器网关	lvs内网地址	Own router（网工定义）	Own router（网工定义）

 五：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 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。

# 确认内核对LVS的支持
[root@localhost ~]# modprobe ip_vs
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1 .2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
 -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn

整个SLB系统由3部分构成: 四层负载均衡、七层负载均衡、控制系统

四层负载均衡 ，采用开源软件LVS (linux virtual server)，并根据云计算需求对其进行了定制化;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用2年;

七层负载均衡，采用开源软件Tengine;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用3年多;·控制系统，用于配置和监控负载均衡系统;

2、 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 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
◆性能较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

3、LVS工作原理

VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS。LVS是内核级功能，工作在INPUT链的位置，将发往INPUT的流量进行“处理”。

4、LVS 功能及组织架构

负载均衡的应用场景为高访问量的业务，提高应用程序的可用性和可靠性。

5、应用于高访问量的业务

如果您的应用访问量很高，可以通过配置监听规则将流量分发到不同的云服务器 ECS（Elastic Compute Service 弹性计算服务）实例上。此外，可以使用会话保持功能将同一客户端的请求转发到同一台后端ECS。

6、扩展应用程序

可以根据业务发展的需要，随时添加和移除ECS实例来扩展应用系统的服务能力，适用于各种Web服务器和App服务器。

7、消除单点故障

可以在负载均衡实例下添加多台ECS实例。当其中一部分ECS实例发生故障后，负载均衡会自动屏蔽故障的ECS实例，将请求分发给正常运行的ECS实例，保证应用系统仍能正常工作。

8、同城容灾 （多可用区容灾）

为了提供更加稳定可靠的负载均衡服务，阿里云负载均衡已在各地域部署了多可用区以实现同地域容灾。当主可用区出现机房故障或不可用时，负载均衡仍然有能力在非常短的时间内（如：大约30s中断）切换到另外一个备可用区恢复服务能力；当主可用区恢复时，负载均衡同样会自动切换到主可用区提供服务。

使用负载均衡时，您可以将负载均衡实例部署在支持多可用区的地域以实现同城容灾。此外，建议您结合自身的应用需要，综合考虑后端服务器的部署。如果您的每个可用区均至少添加了一台ECS实例，那么此种部署模式下的负载均衡服务的效率是最高的。

9、 LVS集群类型中的术语

• VS：Virtual Server，Director Server(DS), Dispatcher(调度器)，Load Balancer（lvs服务器）
• RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)（真实服务器）
• CIP：Client IP（客户机IP）
• VIP：Virtual serve IP VS外网的IP
• DIP：Director IP VS内网的IP
• RIP：Real server IP （真实IP）
  

访问流程：cip--》vip-====dip<----->rip

六：使用ipvsadm工具

 1、lvs群集创建与管理

创建虚拟服务器----->添加、删除服务器节点----->查看群集和节点情况----->保存负载分配策略

2、 ipvsadm工具选项说明

选项	解释
-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"-"选项组合使用。ipvsadm -ln

七： NAT模式LVS负载均衡群集部署

负载调度器：内网关ens33：192.168.238.20， 外网关ens36：12.0.0.1
Web节点服务器1：192. 168.238.100
Web节点服务器2：192. 168.238.101
NFS服务器：192.168.238.10 
客户端：192.168.238.200

 1、部署共享存储(NFS服务器：192.168.238.10)

关闭防火墙
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

yum install nfs-utils rpcbind -y    提供远程调用服务
systemctl start nfs.service
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir /opt/jiedian1 /opt/jiedian2         赋权
chmod 777 /opt/jiedian1 /opt/jiedian2

vim /etc/exports   ---->尽量不给写的权限
/usr/share *(ro, sync)    
/opt/jieidan1 192.168.238.0/24(rw,sync)
/opt/jiedian2 192.168.238.0/24(rw,sync)

重启服务
systemctl restart nfs.service
showmount -e

发布共享
exportfs -rv
echo 'this is jieidan1!' > /opt/jiedian1/index.html
echo 'this is jiedian2!' >/opt/jiedian2/index.html

 

 2、配置节点服务器(192.168.238.100、192.168.238.101 )

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 192.168.238.10
systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

--192.168.238.100---
mount.nfs 192.168.238.10:/opt/jiedian1 /var/www/html
#echo 'this is jiedian1!' > /var/www/html/index.html

vim /etc/fstab
192.168.238.10:/opt/jiedian1     /var/www/html  nfs defaults,_netdev   0   0

--192.168.238.101---
mount.nfs 192.168.238.10:/opt/jiedian2 /var/www/html
#echo 'this is jiedian2!' > /var/www/html/index.html
vim /etc/fstab
192.168.238.10:/opt/jiedian2  /var/www/html   nfs    defaults,_netdev    0   0
#  共享目录                         挂载点     协议          参数

 3、配置负载调度器(内网关ens33：192.168.238.20，外网关ens36：12.0.0.1)

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens32 ifcfg-ens33
vim ifcfg-ens32                         #把网关和DNS去掉
vim ifcfg-ens33                         #改网卡名，ip改为外网ip，网关和DNS去掉
systemctl restart network


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 192.168.238.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1
#-t 指定nat表 -A加入规则链 -s指定源IP地址或网段 -o出站接口  -j指定控制类型 --to-source指定要转换的IP地址
(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 -ln     #查看是否有策略
ipvsadm -C      #清除原有策略
ipvsadm -ln     #再次检测
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr    -A添加虚拟服务器  -t指定VIP地址和端口  -s指定负载调度算法  rr轮询
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.238.100:80 -m -w 1    -a添加真实服务器  -r指定RIP地址和端口  -m使用NAT群集模式   [-w 1]指定权重
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.238.101:80 -m -w 1
                                                 #指定权重

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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

 

 ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.238.11:80 -m -w 1   #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(清除策略)
systemctl start ipvsadm          #启动服务(重建规则)
ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm       #恢复LVS策略

 

 windows主机 将网关改为 负载主机的外网ip，也可访问