LVS负载均衡群集（NAT模式）

LVS负载均衡群集（NAT模式）

一、群集概述

1.1 群集的含义

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

1.2 为什么使用群集

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）

1.2.1 纵向扩容

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（缺点：性能上限会有瓶颈，成本昂贵，收效比不高 等问题）

1.2.2 横向扩容

通过增加服务器主机数量来应对高并发的场景

1.3 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。
• 增加可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。

二、企业集群分类

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（LB）
• 高可用群集（HA）
• 高性能运算群集（HPC）

2.1 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，提高并发和负载能力。
• 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。

2.2 高可用群集（High Availability Cluster）

• 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，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。

2.3 高性能运算集群（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”、“网络计算” 等。（将多台主机的硬件计算资源整合到一起，实现分布式运算）

三、负载均衡群集

3.1 负载均衡群集架构

3.1.1 第一层：负载调度器（Load Balancer 或 Director）负载均衡层

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。
（通过VIP接受用户的请求，再通过调度算法确定要转发的节点服务器）

3.1.2 第二层：服务器池（Server Pool）（WEB应用层）

群集所提供的应用服务器、有服务器池承担，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。
（通过RIP接收调度器转发来的请求，并处理请求的节点服务器）

3.1.3 第三层：共享存储（Share Storage）（确保多台服务器使用的是相同的资源）

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。共享存取可以使用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。）

3.2 负载均衡群集的工作模式分析

负载均衡群集是目前企业用的最多的群集类型。

3.2.1 群集的负载调度技术（三种工作模式）

• 地址转换（NAT模式）
• IP隧道（IP-YUN）
• 直接路由（DR模式）

3.2.1.1 NAT模式（地址转换）

地址转换

• Network Address Translantion，简称NAT模式
• 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。（由于在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
• 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

3.2.1.2 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，而不再进过负载调度器。（承载的压力比NAT小）
• 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

缺点：成本很高

应用场景：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。

3.2.1.3 DR模式（直接路由）

直接路由：

• Direct Routing,简称DR 模式
• 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（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
• 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

四、LVS虚拟服务器

4.1 LVS虚拟服务简介

Linux Virtual Server

• 针对Linux内核开发的负载均衡
• 1998年5月，有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

4.2 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。

4.3 LVS调度器常见算法

4.3.1 固定调度算法：rr、wrr、dh、sh

算法
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。适用于RS所有节点处理性能接近的情况。
wrr	加权轮询调度（Weighted Round Robin），依据不同RS的权值分配任务。权值较高的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。
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，以原地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS。

4.3.2 动态调度算法：wlc、lc、lblc

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。

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。

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。

4.4 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，必要时能够自动调用。
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

4.5 LVS的负载调度算法

4.5.1 rr：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），均等地对待每台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载

4.5.2 wrr：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
• 保证性能的服务器承担更多的访问流量

4.5.3 lc：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

4.5.4 wlc：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

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。

5.1 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

5.2 ipvsadm工具选项说明：

-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 NAT群集模式
-g	表示 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60s
-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模式操作实例

实验环境：
一台NFS服务器：192.168.44.20
两台节点服务器：192.168.44.30 192.168.44.40
一台LVS调度器：ens33:（192.168.44.50）ens36（12.0.0.1）
一台web客户端：12.0.0.12

6.1 部署NFS共享存储服务

1、关闭防火墙

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

2、安装nfs_utils、rpcbind软件包

#2、安装nfs_utils、rpcbind软件包
yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind nfs


systemctl enable rpcbind nfs

mkdir /opt/ysj /opt/benet
chmod 777 /opt/ysj /opt/benet
echo 'this is web1 page!' > /opt/ysj/index.html
echo 'this is web2 page!' > /opt/benet/index.html

vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/kgc 192.168.80.0/24(rw,sync)
/opt/benet 192.168.80.0/24(rw,sync)

--发布共享---
exportfs -rv

6.2 部署两台节点服务器（192.168.44.30和192.168.44.40）

--192.168.44.20---
mount.nfs 192.168.44.20:/opt/kgc /var/www/html
或永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.44.20:/opt/kgc		/var/www/html	nfs		defaults,_netdev	0  0

--192.168.44.40---
mount.nfs 192.168.80.13:/opt/benet /var/www/html
或永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.44.20:/opt/benet	/var/www/html	nfs 	defaults,_netdev	0  0

6.3 配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.44.50，外网关 ens36：12.0.0.1）

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
sysctl -p

iptables -t nat -F && iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.44.0/24 -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 192.168.80.11:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.12:80 -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 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.11:80				#删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80									#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

（5）测试效果