LVS负载均衡群集
一、群集概述
1.集群是什么
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。
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。
3、群集的优势
- 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
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、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。
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
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。
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：
- 地址转换（NAT模式）
- IP隧道（IP-TUN）
- 直接路由（DR模式）
通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR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。
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。
（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。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）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，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
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。
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。
3、LVS的负载调度算法
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 L east 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
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。
ipvsadm 命令选项说明：
| 选项 | 解释 |
|---|---|
| -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 |
六、实验：LVS负载均衡群集部署——NAT模式
实验环境：
- LVS负载调度器：ens33：192.168.79.240 ens36：12.0.0.1（vmnet3）
- Web1 节点服务器1：192.168.79.220
- Web2 节点服务器2：192.168.79.230
- NFS服务器：192.168.79.210
- 客户端（win10）：12.0.0.12 (Vmnet3)
在虚拟机设置里面添加新网卡ens36
1、部署共享存储（NFS服务器：192.168.79.210）:
1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. #安装nfs服务
yum install nfs-utils rpcbind -y
3. #新建目录，并创建站点文件
cd /opt/
mkdir zhuo lmz
echo "this is zhuo" > zhuo/index.html
echo "this is lmz" > lmz/index.html
4. #开启服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
5. #授权
chmod 777 zhuo/ lmz/
6. #设置共享策略
vim /etc/exports
/opt/zhuo 192.168.79.0/24(rw,sync)
/opt/lmz 192.168.79.0/24(rw,sync)
7. #发布服务
exportfs -rv
2、部署web服务器1（web服务器1：192.168.79.220）：
1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. #安装httpd、nfs-utils和rpcbind程序
yum install -y httpd
yum install nfs-utils rpcbind -y
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.79.210
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
df
cat /var/www/html/index.html
mount 192.168.79.210:/opt/zhuo /var/www/html/
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.79.210:/opt/zhuo/ /var/www/html/ nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
5. #开启httpd服务并设置开机自启动
systemctl start httpd
systemctl enable httpd
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY=192.168.79.240
#DNS1=8.8.8.8
7. #重启网络服务
systemctl restart network
3、 部署web服务器2（web服务器2：192.168.79.230）：
1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. #安装httpd、nfs-utils和rpcbind程序
yum install -y httpd
yum install nfs-utils rpcbind -y
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.79.210
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
df
cat /var/www/html/index.html
mount 192.168.79.210:/opt/lmz /var/www/html/
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.79.210:/opt/lmz/ /var/www/html/ nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
5. #开启httpd服务并设置开机自启动
systemctl start httpd
systemctl enable httpd
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY=192.168.79.240
#DNS1=8.8.8.8
7. #重启网络服务
systemctl restart network
4、部署负载调度服务器（ens33：192.168.79.240，ens36：12.0.0.1）：
1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. #安装ipvsadm
yum install ipvsadm.x86_64 -y
3. #打开路由转发功能
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
sysctl -p
4. #防火墙做策略
#清空策略
iptables -F
#添加策略
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.79.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.1
#查看策略
iptables -nL -t nat
5. #加载LVS内核模块
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
6. #开启ipvsadm服务
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
7. #清空策略
ipvsadm -C
8. #制定策略
#指定IP地址 外网的入口 -s rr 轮询
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
#先指定虚拟服务器再添加真实服务器地址，-r:真实服务器地址 -m指定nat模式
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.79.220:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.79.230:80 -m
#开启服务
ipvsadm
9. 查看策略
ipvsadm -ln
Windows客户机验证（Windows客户端：12.0.0.12）
浏览器中进行测试（不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点）
