LVS负载均衡群集——NAT模式

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一、群集概述

1.1 群集的含义

Cluster，集群、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。

1.2 使用群集的原因

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）

LVS群集技术：

在企业中常用的一种群集技术一LVS （Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器）
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。

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。
增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。

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

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、减少延迟为目标，获得高并发、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。

2.2 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

3.1 负载均衡群集架构

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。

第二层，服务器池(Server Pool) WEB应用层
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(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。）

3.2 负载均衡群集的工作模式

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三种工作模式：

1、地址转换（NAT模式）
2、IP隧道（IP-TUN）
3、直接路由（DR模式）

通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR模式。

3.2.1 NAT模式（地址转换）

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。
缺点：由于NAT的负载均衡器既作为用户的访问请求入口，也作为节点服务器响应请求的出口，承载两个方向的压力，调度器的性能会成为整个集群的瓶颈。

3.2.2 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。

3.2.3 DR模式（直接路由）

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，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。
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虚拟服务器简介

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

4.2 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，1blc

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。

4.3 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 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

4.4 加载 LVS 所有的负载调度算法

LVS 所有的负载调度算法文件在 /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/ 目录下：

 [root@guo ipvs]# pwd
 /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs
 [root@guo ipvs]# ls
 ip_vs_dh.ko.xz     ip_vs_lc.ko.xz      ip_vs_sh.ko.xz
 ip_vs_ftp.ko.xz    ip_vs_nq.ko.xz      ip_vs_wlc.ko.xz
 ip_vs.ko.xz        ip_vs_pe_sip.ko.xz  ip_vs_wrr.ko.xz
 ip_vs_lblc.ko.xz   ip_vs_rr.ko.xz
 ip_vs_lblcr.ko.xz  ip_vs_sed.ko.xz

加载所有的负载调度算法：

 [root@guo ipvs]# ls | grep -o "^[^.]*"  //过滤出所有调度算法的名称
 ip_vs_dh
 ip_vs_ftp
 ip_vs
 ip_vs_lblc
 ip_vs_lblcr
 ip_vs_lc
 ip_vs_nq
 ip_vs_pe_sip
 ip_vs_rr
 ip_vs_sed
 ip_vs_sh
 ip_vs_wlc
 ip_vs_wrr
 [root@guo ipvs]# for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)l/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modF filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done
 ip_vs_dh
 ip_vs_ftp
 ip_vs
 ip_vs_lblc
 ip_vs_lblcr
 ip_vs_lc
 ip_vs_nq
 ip_vs_pe_sip
 ip_vs_rr
 ip_vs_sed
 ip_vs_sh
 ip_vs_wlc
 ip_vs_wrr

可以将加载调度算法的命令写入脚本中：

 #!/bin/bash
 a=$(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*")
 ​
 for i in $a
 do 
    echo $i
    #查看单个模块的详细信息
    /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 
    #加载算法模块
    /sbin/modprobe $i
 done

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。

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

ipvsadm 命令选项说明：

六、LVS-NAT模式操作实例

总结

提示：这里对文章进行总结：
例如：以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了pandas的使用，而pandas提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法。