构建 LVS 负载均衡群集--直接路由模式（LVS-DR）

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一、LVS-DR 数据包流向分析

为方便进行原理分析，将 Client 与群集机器放在同一网络中，数据包流经的路线为 1-2-3-4

1. Client 向目标 VIP 发出请求，Director（负载均衡器）接收
   • 此时源 MAC 地址为 Client 的 MAC 地址
   • 目标 MAC 地址为调度器 Director 的 MAC 地址

2. Director 根据负载均衡算法选择 RealServer
   • 不修改也不封装 IP 报文，而是将数据帧的 MAC 地址改为 RealServer 的 MAC 地址，然后在局域网上发送
   • 此时源 MAC 地址为 Director 的 MAC 地址，目的 MAC 地址为 RealServer 的 MAC 地址

3. RealServer 收到这个帧
   • 解封装后发现目标 IP 与本机匹配（RealServer 事先绑定了 VIP），于是处理这个报文
   • 随后重新封装报文，将响应报文通过 lo 接口传送给物理网卡然后向外发出
   • 此时源 MAC 地址为 RealServer 的 MAC 地址，目的 MAC 地址为 Client 的 MAC 地址

4. Client 将收到回复的报文
   • Client 认为得到正常的服务，而不会知道是哪一台服务器处理的
   • 注意：如果跨网段，则报文通过路由器会经由 Internet 返回给用户

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二、LVS-DR 中的 ARP 问题

在LVS-DR负载均衡集群中，负载均衡与节点服务器都要配置相同的VIP地址

• 但在局域网中具有相同的 IP 地址，势必会造成各服务器 ARP 通信的紊乱：
  • 当 ARP 广播发送到 LVS-DR 集群时，因为负载均衡器和节点服务器都是连接到相同网络上，它们都会接收到 ARP 广播
  • 只有前端的负载均衡器进行响应，其他节点服务器不应该响应 ARP 广播
• 这时，我们可以对节点服务器进行处理，使其不响应针对 VIP 的 ARP 请求：
  • 使用虚接口 lo:0 承载 VIP 地址
  • 设置内核参数 arp_ignore=1（系统只响应目的 IP 为本地 IP 的 ARP 请求）

• RealServer 返回报文（源 IP 是 VIP）经路由器转发，重新封装报文时，需要先获取路由器的 MAC 地址
• 且发送 ARP 请求时，Linux 默认使用 IP 包的源 IP 地址（即 VIP）作为 ARP 请求包中的源 IP 地址，而不使用发送接口的 IP 地址

• 路由器收到 ARP 请求后，将更新 ARP 表项
• 原有的 VIP 对应 Director 的 MAC 地址会被更新为 VIP 对应 RealServer 的 MAC 地址
  而路由器根据 ARP 表项，会将新来的请求报文转发给 RealServer，导致 Director 的 VIP 失效

上述问题的解决方法：
对节点服务器进行处理，设置内核参数 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）

• 解决ARP的两个问题的方法

#修改 /etc/sysctl.conf 文件

net.ipv4.conf.lo.arp_ignore=1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce=2
net.ipv4.conf.all.arp_ignore=1
net.ipv4.conf.all.arp_announce=2

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三、LVS 负载均衡群集-DR模式

1.数据包流量分析

1. 客户端发送请求到 Director Server (负载均衡器)，请求的数据报文(源 IP 是 CIP, 目标IP是 VIP)到达内核空间
2. Director Server 和 Real Server 在同一个网络中，数据通过二层数据链路层来传输
3. 内核空间判断数据包的目标 IP 是本机 VIP，此时 IPVS (IP 虚拟服务器)比对数据包请求的服务是否是集群服务，是集群服务就重新封装数据包。修改源 MAC 地址为 Director Server 的 MAC 地址，修改目标 MAC 地址为 Real Server 的 MAC 地址，源 IP 地址与目标 IP 地址没有改变，然后将数据包发送给 Real Server
4. 到达 Real Server 的请求报文的 MAC 地址是自身的 MAC 地址，就接收此报文；数据包重新封装报文(源 IP 地址为 VIP，目标 IP 为 CIP)，将响应报文通过 lo 接口传送给物理网卡然后向外发出
5. Real Server 直接将响应报文传送到客户端

2.DR 模式的特点

• Director Server 和 Real Server 必须在同一个物理网络中
• Real Server 可以使用私有地址，也可以使用公网地址；如果使用公网地址，可以通过互联网对 RIP 进行直接访问
• Director Server 作为群集的访问入口，但不作为网关使用
• 所有的请求报文经由 Director Server，但回复响应报文不能经过 Director Server
• Real Server 的网关不允许指向 Director Server IP，即 Real Server 发送的数据包不允许经过 Director Server
• Real Server 上的 lo 接口配置 VIP 的 IP 地址

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四、部署 LVS-DR 负载均衡集群

1.概述

• 在 DR 模式的群集中，LVS 负载调度器作为群集的访问入口，但不作为网关使用
• 服务器池中的所有节点都各自接入 Internet，发送给客户机的 Web 响应数据包不需要经过 LVS 负载调度器
  
• 这种方式入站、出站访问数据被分别处理，因此 LVS 负载调度器和所有节点服务器都需要配置有 VIP 地址，以便响应应对整个群集的访问
• 考虑到数据存储的安全性，共享存储设备会放在内部的专用网络内

2.环境

• 宿主机：Win10 专业工作站版本
• VMware：16 Pro（16.1.0）
• CentOS 7
• 网络适配器：均为 NAT 模式
• 网卡配置：均为静态获取 IP
• YUM 源：本地
• Win客户端：192.168.126.10
• DR 服务器（负载调度器）（CentOS 7-1）：192.168.126.11
• Web 服务器 1（CentOS 7-2）：192.168.126.12
• Web 服务器 2（CentOS 7-3）：192.168.126.13
• NFS 服务器（CentOS 7-4）：192.168.126.14
• VIP：192.168.126.166

3.配置负载调度器

CentOS 7-1（192.168.126.11）

1. 准备

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

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

yum install -y ipvsadm
#安装软件包

2. 配置虚拟 IP 地址)（VIP）

采用虚接口的方式为网卡绑定 VIP 地址，以便响应群集访问

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0

vim ifcfg-ens33:0
#清空原有配置，添加以下内容
DEVICE=ens33:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.126.166
NETMASK=255.255.255.255


ifup ens33:0
#开启虚拟 ip

ifconfig ens33:0
#查看虚拟 ip

3. 调整 proc 响应参数

对于 DR 集群来说，由于由于 LVS 负载调度器和各节点需要共用 VIP 地址，应该关闭 Linux 内核的重定向参数响应

vim /etc/sysctl.conf
#添加以下内容
net.ipv4.ip_forward = 1
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0


sysctl -p

4. 配置负载分配策略

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

ipvsadm -C
#清除原有策略

ipvsadm -A -t 192.168.126.166:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.126.166:80 -r 192.168.126.12:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.126.166:80 -r 192.168.126.13:80 -g
#若使用隧道模式，则结尾处 -g 替换为 -i

ipvsadm

ipvsadm -ln
#查看节点状态，Route代表 DR模式

4.部署 NFS 共享挂载

CentOS 7-4（192.168.126.14）

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

yum install -y nfs-utils rpcbind

systemctl start nfs.service 
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable nfs.service 
systemctl enable rpcbind.service

mkdir /opt/xcf /opt/zxc
chmod 777 /opt/xcf/ /opt/zxc/

vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/xcf 192.168.126.0/24(rw,sync)
/opt/zxc 192.168.126.0/24(rw,sync)

exportfs -rv
showmount -e

5.配置节点服务器

CentOS 7-2（192.168.126.12）与 CentOS 7-3（192.168.126.13）

• 使用 DR 模式时，节点服务器也需要配置 VIP 地址，并调整内核的 ARP 响应参数以组织更新 VIP 的 MAC 地址，避免发生冲突
• 除此之外，Web 服务的配置与 NAT 方式类似

1. 准备

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

#将两个节点服务器的网关和DNS注释掉后重启网卡
#如果有网关服务器则指向网关服务器

2. 配置虚拟 IP 地址

#此地址仅用做发送 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有记录，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
IPADDR=192.168.126.166
NETMASK=255.255.255.255
#注意，此处子网掩码必须全为1
#NETWORK=127.0.0.0
# If you're having problems with gated making 127.0.0.0/8 a martian,
# you can change this to something else (255.255.255.255, for example)
#BROADCAST=127.255.255.255
ONBOOT=yes
#NAME=loopback


ifup lo:0
ifconfig lo:0

route add -host 192.168.126.166 dev lo:0
#禁锢路由
route -n
#查看路由

vim /etc/rc.local
#添加VIP本地访问路由
/sbin/route add -host 192.168.126.166 dev lo:0

chmod +x /etc/rc.d/rc.local

3. 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

调整 /proc 响应参数

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

4. 挂载共享目录

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

mount.nfs 192.168.126.14:/opt/xcf /var/www/html/
echo 'Hello xcf~' > /var/www/html/index.html

#设为自动挂载
vim /etc/fstab

192.168.126.14:/opt/xcf /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0

mount -a

5. 另一台 Web2 节点服务器同理操作，只用更改共享目录的参数即可

6.测试 LVS 群集

• 使用 Win10作为测试客户端（默认网关指向 192.168.126.166），从 Internet 中直接访问 http://192.168.126.166

• 能够看到由真实服务器提供的网页内容——如果各节点的网页不同，则不同客户机看到的网页也不一样（需多刷新几次，等待一会儿）
  
  

• 在 LVS 负载调度器中，通过查看节状态可以观察到当前的负载分配情况，对于轮询算法来说，每个节点所获得的连接负载应大致相当