LVS负载均衡群集

负载均衡群集

1.企业群集应用概述

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

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

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）

2.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

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

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

3.负载均衡群集架构

负载均衡的结构：

• 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
• 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。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

4.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

• 地址转换
• IP隧道
• 直接路曲

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

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

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.关于LVS（Linux Virtual Server）虚拟服务器

• 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

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

LVS调度算法

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

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

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

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

6.使用ipvsadm工具创建与管理LVS群集

ipvsadm选项	作用
-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

一.NAT模式 LVS负载均衡群集部署

主机	IP地址
负载调度器	内网关ens33：192.168.230.3外网关ens36：12.0.0.30
Web节点服务器1	192.168.230.4
Web节点服务器2	192.168.230.5
NFS服务器	192.168.230.6
客户端	12.0.0.10

全部关闭防火墙、selinux

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

1.部署NFS共享存储服务器

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

mkdir /opt/xc /opt/benet
chmod 777 /opt/xc /opt/benet

echo 'this is xc web!' > /opt/xc/index.html
echo 'this is benet web!' > /opt/benet/index.html

vim /etc/exports

/opt/xc 192.168.230.0/24(rw,sync)
/opt/benet 192.168.230.0/24(rw,sync)

###发布共享
exportfs -rv

2.配置节点服务器（在/etc/httpd/conf/httpd.conf文件中添加keepalive off关闭连接保持）（网关设置为调度器内网网卡IP）

yum -y install httpd
systemctl start httpd.service

yum -y install nfs-utils rpcbind
showmount -e 192.168.230.6

systemctl start rpcbind

(1)Web节点服务器1

mount.nfs 192.168.230.6:/opt/xc /var/www/html

(2)Web节点服务器2

mount.nfs 192.168.230.6:/opt/benet /var/www/html

3.配置负载调度器

(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 -F
iptables -t nat -F

iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.230.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.30

(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 12.0.0.30:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.30:80 -r 192.168.230.4:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.30:80 -r 192.168.230.5:80 -m

ipvsadm		###启用策略

ipvsadm -ln		###查看节点状态，Masq代表NAT模式

###保存策略
ipvsadm-save > /opt/ipvsadm
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

命令	说明
ipvsadm -d -t 12.0.0.30:80 -r 192.168.230.4:80	删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.30:80	删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm	停止服务（清空策略），如果selinux没关闭/etc/sysconfig/ipvsadm内容也会清空
systemctl start ipvsadm	启动服务（根据/etc/sysconfig/ipvsadm恢复策略）
ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm	恢复LVS策略

4.客户端配置

5.客户端测试（刷新轮询）

二.DR模式

主机	IP
NFS	192.168.230.3
Web服务器1	192.168.230.5
Web服务器2	192.168.230.6
DR服务器	192.168.230.7
vip	192.168.230.10
客户端	192.168.230.20

1.配置负载调度器

modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
yum -y install ipvsadm

(1)配置虚拟IP地址（vip：192.168.230.10）

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0		###若隧道模式，复制为ifcfg-tunl0
vim ifcfg-ens33:0

DEVICE=ens33:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.230.10
NETMASK=255.255.255.255

ifup ens33:0
ifconfig ens33:0

(2)调整proc响应参数

###由于LVS负载调度器和各节点需要共用VIP地址，需要关闭icmp的重定向，不充当路由器
vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0

sysctl -p

(3)配置负载分配策略

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm

ipvsadm -C
ipvsadm -A -t 192.168.230.10:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.230.10:80 -r 192.168.230.5:80 -g		###若隧道模式，-g替换为-i
ipvsadm -a -t 192.168.230.10:80 -r 192.168.230.6:80 -g

ipvsadm
ipvsadm -ln		###查看节点状态，Route代表 DR模式

2.部署共享存储（NFS服务器：192.168.230.3）

yum -y install nfs-utils rpcbind
mkdir /opt/xc /opt/benet
chmod 777 /opt/xc /opt/benet

vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/xc 192.168.230.0/24(rw,sync)
/opt/benet 192.168.230.0/24(rw,sync)

systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service

3.配置节点服务器（192.168.230.5、192.168.230.6）

(1)配置虚拟IP地址（VIP：192.168.230.10）

###此地址仅用作发送Web响应数据包的源地址，并不需要监听客户机的访问请求（改由调度器监听并分发）。因此使用虚接口lo∶0来承载VIP地址，并为本机添加一条路由记录，将访问VIP的数据限制在本地，以避免通信紊乱

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0		
vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.230.10
NETMASK=255.255.255.255		###注意：子网掩码必须全为 1

ifup lo:0
ifconfig lo:0
route add -host 192.168.230.10 dev lo:0		###临时配置路由路径

vim /etc/rc.local
/sbin/route add -host 192.168.230.10 dev lo:0		###通过配置文件永久配置路由路径
chmod +x /etc/rc.d/rc.local

(2)调整内核的ARP响应参数以阻止更新VIP的MAC地址，避免发生冲突

vim /etc/sysctl.conf
......
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1		###系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2		###系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址，而选择发送接口的IP地址
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

sysctl -p
或
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

sysctl -p

yum -y install nfs-utils rpcbind httpd
systemctl start rpcbind
systemctl start httpd

###192.168.230.5
mount.nfs 192.168.230.3:/opt/xc /var/www/html
echo 'this is xc web!' > /var/www/html/index.html

###192.168.230.6
mount.nfs 192.168.230.3:/opt/benet /var/www/html
echo 'this is benet web!' > /var/www/html/index.html

4.测试LVS群集

在客户端所以浏览器访问
http://192.168.230.10