【简单认识LVS及LVS-NAT负载均衡群集的搭建】

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一、LVS群集简介

1、群集的含义

Cluster、集群、群集。由多台主机构成，但对外只表现为一个整体，只提供一个访问入口（域名与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，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用性的要求。
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，并且同一个IP地址对外提供相同的服务。
在企业中常用的一种集群技术——LVS（Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器）

2、性能扩展方式

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集群

3、群集的分类

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

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

4、负载均衡群集架构

1、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。

5、三种负载调度工作模式

1、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

2、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

3、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

二、LVS虚拟服务器

1、Linux Virtual Server简介

● 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.orgl
● 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

2、启用LVS虚拟服务

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
cat /proc/net/ip_vs    #确认内核对LVS的支持

3、LVS调度算法

（1）固定调度算法

轮询调度（rr）：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。

加权轮询调度（wrr）：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（dh）：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（sh）：以源地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS。

（2）动态调度算法

最小连接数调度（lc）：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。

加权最小连接数调度（wlc）：假设各台RS的权值依次为x，当前tcp连接数依次为y，依次去y/x为最小的RS作为下一个分配的RS。

基于地址的最小连接数调度（lblc）：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，并以它作为下次分配的首先考虑。

三、LVS群集创建与管理

1、步骤

1、创建虚拟服务器
2、添加、删除服务器节点
3、查看群集及节点情况
4、保存负载分配策略

2、LVS的管理工具

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 “-l” 选项组合使用。ipvsadm -ln

3、部署实例

实验准备
负载调度器：内网关 ens33：192.168.206.10，外网关 ens37：10.0.0.1（Vmnet2）
Web节点服务器1：192.168.206.7
Web节点服务器2：192.168.206.8
NFS服务器：192.168.116.5
客户端（win7）：10.0.0.13（Vmnet 3）

（1）配置nfs共享存储器

#关闭防火墙和selinux
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
 
#下载nfs服务
yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service
systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service
 
#创建两个共享目录
cd /opt/
mkdir ikun heizi
chmod 777 ikun/ heizi/
echo 'welcome to ikun.com!' > ikun/index.html
echo 'welcome to heizi.com!' > heizi/index.html
 
#修改nfs发布策略
vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/ikun 192.168.206.0/24(rw,sync)
/opt/heizi 192.168.206.0/24(rw,sync)
 
#在线发布
exportfs -rv
#查看共享
showmount -e

2.配置节点服务器（后端服务器）

web1节点服务器1：192.168.206.7

web2节点服务器2：192.168.206.8
前置设置
修改网卡网关为LVS服务器

#关闭防火墙、安全机制
systemctl stop firewalld.service 
systemctl disable firewalld.service 
setenforce 0
#安装http
yum install -y httpd
systemctl start httpd.service 
systemctl enable httpd.service
#安装nfs-utils rpcbind
yum install -y nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable rpcbind.service
#查看共享存储
showmount -e 192.168.206.5

web1：192.168.206.7

#挂载
mount.nfs 192.168.206.5:/opt/ikun /var/www/html/
#查看挂载
df -h

#永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.206.5:/opt/ikun /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
#刷新
mount -a

网卡需要将外网的服务器网关指向LVS调度器，将内网的服务器网关也指向LVS调度器，因此网关需要修改为5

#重启网卡
systemctl restart network

web2：192.168.206.8

#挂载
mount.nfs 192.168.206.5:/opt/heizi /var/www/html/
#查看挂载
df -h

#永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.206.5:/opt/heiz /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
#刷新
mount -a

网卡需要将外网的服务器网关指向LVS调度器，将内网的服务器网关也指向LVS调度器，因此网关需要修改为5

#重启网卡
systemctl restart network

4、配置负载调度器LVS（ens33：192.168.206.10 ens37：10.0.0.1（Vmnet2）

需要添加一张虚拟网卡（网络适配器）并且选择Vmnet2

win虚拟机的地址需要手动改

198.168.206.10虚拟机

5、配置SNAT转发规则

在配置之前可以先安装ipvsadm管理工具，防止后面更改完无法获取下载

yum install -y ipvsadm
#复制网卡、修改地址等
cp /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens37
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
vim ifcfg-ens37

vim ifcfg-ens33

echo 'net.ipv4.ip_forward=1' >> /etc/sysctl.conf
#查看
sysctl -p
#清除iptables的规则、策略
iptables -t nat -F
#查看清除后的iptables
iptables -F
iptables -t nat -nL

#配置iptables
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.206.0/24 -o ens37 -j SNAT --to-source 10.0.0.1
iptables -nL -t nat

注：

nat表:修改数据包中的源、目标IP地址或端口
POSTROUTING: 在进行路由判断之"后"所要进行的规则(SNAT/MASQUERADE)
PREROUTING: 在进行路由判断之"前"所要进行的规则(DNAT/REDIRECT)
-A: 在规则链的末尾加入新规则
-s: 匹配来源地址IP/MASK.
-o 网卡名称匹配从这块网卡流出的数据
-i 网卡名称匹配从这块网卡流入的数据
-j 控制类型

6、加载LVS内核模块

#手动加载ip_vs模块
modprobe ip_vs
#查看ip_vs版本信息
cat /proc/net/ip_vs

安装ipvsadm管理工具

yum install -y ipvsadm
#注意：启动服务前必须保存负载分配策略，否则将会报错
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者
touch /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service

7、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）

#清除原有策略
ipvsadm -C
ipvsadm -A -t 10.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 192.168.206.7:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 192.168.206.8:80 -m -w 1
#启动策略
ipvsadm    
#查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm -ln
#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm    

-A 添加虚拟服务器
-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 (后端节点服务器)
-t 指定 VIP地址及 TCP端口
-m 表示使用 NAT群集模式.
-w 设置权重 (权重为 0 时表示暂停节点)

8、访问测试：

在win7上使用浏览器访问10.0.0.1，刷新浏览器测试负载均衡


停止某个节点服务器测试另一台是否可以正常工作

#删除web1服务器的节点
ipvsadm -d -t 10.0.0.1:80 -r 192.168.206.7:80

#删除整个虚拟服务器
ipvsadm -D -t 10.0.0.1:80

#停止服务（清除策略）
systemctl stop ipvsadm
#启动服务（重建规则）
systemctl start ipvsadm
 #恢复LVS策略
ipvsadm-restore > /etc/sysconfig/ipvsadm

访问测试：
可以正常访问