LVS负载均衡群集

一、企业群集应用概述

1.1 群集的发展

• 在各种互联网应用中，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，单台服务器将难以承担所有的访问。为了满足生产需求，有了横向和纵向扩张。
• 纵向扩展：使用价格昂贵的大型机、专用负载分流设备等。
• 横向扩展：构建群集服务器——通过整个多台相对廉价的普通服务器，以同一个地址提供相同的服务。
• 在Linux系统中，有一种非常常用的群集技术——LVS（Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器）。

1.2 群集的含义

• Cluster，集群、群集，表示一群、一串的意思，用在服务器领域则表示大量服务器的集合体，以区分于单个服务器。
• 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地址)，相当于一台大型计算机。特点：多台主机，干同一件事，展现为一个整体

二、企业群集分类

2.1 针对目标分类

1、负载均衡群集
2、高可用群集
3、高性能运算群集

2.1.1 负载均衡群集 (Load Balance Cluster)

1、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
2、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

2.1.2 高可用群集 (High Availability Cluster)

1、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
2、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

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

1、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
2、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

3.1 负均衡的结构

• 第一层：负载调度器(Load Balancer或Director)
• 对外使用所有服务器共有的VIP地址，也称为群集访问整个群集系统的唯一入口，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)
• 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)
• 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

3.2 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三种工作模式
  1、地址转换（NAT模式）
  2、IP隧道（Tun模式）
  3、直接路由（DR模式）

3.2.1 NAT模式

1、Network Address Translation ,简称NAT模式
2、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
3、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

3.2.2 Tun模式

1、IP Tunnel，简称TUN模式
2、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
3、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

3.2.3 DR模式

1、Direct Routing，简称DR模式
2、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
3、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、关于LVS虚拟服务器

4.1 Linux Virtual Server

• 针对Linux内核开发的负载均衡解决方案
• 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。

[root@localhost ~]# modprobe ip_vs                          #加载IP_vs模块
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs                     #查看IP_vs版本信息
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn

4.2 LVS的负载调度算法

4.2.1 固态调度算法

• 轮询 (Round Robin)：轮询算法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
• 加权轮询 (Weighted Round Robin)：加权轮训调度，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
• 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
• 源地址哈希调度 (source hashing) ：以源地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS

4.2.2 动态调度算法

• 加权最小连接数算法(Weighted Least-Connection Scheduling)：假设各台RS的权值依次为四，当前tco连接数依次为T，依次去/m为最小的RS作为下一个分配的RS
• 最小连接数调度(least-connection)：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
• 基于地址的最小连接数调度 (locality-based1east-coect1):将来自同一个目的地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 LVS群集创建与管理

• ipvsadm 是在负载调度器上使用的LVS群集管理工具，通过调用ip_vs模块来添加、删除服务器节点，以及查看群集的运行状态。
• 在CentOS 7系统默认没有安装，需要自行安装。

[root@localhost ~]# yum -y install ipvsadm
[root@localhost ~]# ipvsadm -v
ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)

• ipvsadm命令

命令	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

五、LVS-NAT部署实战

5.1 NAT模式 LVS负载均衡群集部署

#环境准备
负载调度器：内网关 ens33：192.168.119.10，外网关 ens35：12.0.0.10
Web节点服务器1：192.168.119.20
Web节点服务器2：192.168.119.30
NFS服务器：192.168.119.40
客户端：12.0.0.12

1.部署共享存储（NFS服务器：192.168.119.40）
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir -p /data/host13
mkdir -p /data/host14 
cd /data/
ls
host13 host14
echo '
This is test 13!
' > host13/index.html
echo '
This is test 14!
' > host14/index.html

vim /etc/exports
/data/host13 192.168.119.20/24(ro)
/data/host14 192.168.119.30/24(ro)

showmount -e
systemctl enable --now rpcbind nfs

#RS（节点服务器）：192.168.119.20
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
...
GATEWAY=192.168.119.10
...
systemctl restart network
showmount -e 192.168.119.40 
Export list for 192.168.119.40:
/data/host14 192.168.119.30/24.
/data/host13 192.168.119.20/24
mount 192.168.119.40:/data/host13 /usr/local/nginx/html

#RS（节点服务器）：192.168.119.30
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
...
GATEWAY=192.168.119.10
...
mount 192.168.119.40:/data/host14 /usr/local/nginx/html

#测试nfs
打开浏览器访问http://192.168.119.20 http://192.168.119.30

#配置调度器
cd /etc/sysconfig/network-scripts
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens35
vim ifcfg-ens33
#删除网关跟DNS
vim ifcfg-ens35
#删除网关跟DNS
vim /etc/sysctl.conf
...
net.ipv4.ip_forward=1 #添加路由转发

sysctl -p             #加载
net.ipv4.ip_forward = 1

iptables -F && iptables -t nat -F
iptables -t nat -Q POSTROUTING -s 192.168.119.0/24 -o ens35 -j SNAT --to 12.0.0.10

modprobe ip_vs
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

yum install -y ipvsadm
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm

ipvsadm -C 
ipvsadm -A -t 12.0.0.10:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.119.20 -m -w 1
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.119.30 -m -w 1
ipvsadm 

vim /usr/local/nginx/conf/nginx.conf,把两台节点服务器的keep_alive长连接设置为0,然后重启nginx服务,方便测试

#测试Client主机访问调度器
#浏览器访问http://12.0.0.10，刷新会在两个分享目录之间来回跳