LVS负载均衡群集

这里写目录标题

  • LVS负载均衡群集
    • 一.集群cluster与分布式
      • 1.特点:
      • 2.类型
        • 1)负载均衡群集 LB
        • 2)高可用群集 HA
        • 3)高性能运输群集 HPC
      • 3.分布式
        • 1)特点
    • 二.LVS
      • 1.lvs的工作原理
      • 2.lvs的三种工作模式
        • 1)NAT 地址转换
        • 2)TUN IP隧道 IP Tunnel
        • 3)DR 直接路由 Direct Routing
        • 4)对比
      • 3.lvs的调度算法
        • rr 轮询
        • wrr 加权轮询
        • sh 源地址哈希
        • dh 目的地址哈希
        • lc 最小连接
        • wlc 加权最小连接
        • lblc 基于地址的最小连接
      • 4. ipvsadm工具
        • ipvsadm工具的功能
        • ipvsadm工具选项
    • 三.LVS-NAT模式详解
      • 1.LVS-NAT模式配置思路
      • 2.部署实例
        • 1)配置 NFS 共享存储
        • 2) 配置节点服务器
        • 3)配置负载调度器
    • 四.LVS-DR模式详解
      • 1.数据包流向分析
      • 2.IP包头及数据帧头信息的变化
      • 3.DR模式的特点
      • 4.LVS-DR中的ARP问题及解决方法
        • ARP问题1-相同IP
        • ARP问题2-响应报文的源IP
        • 预防方法
      • 5.LVS-DR模式部署实例
        • 1)配置负载调度器
        • 2)部署NFS共享存储
        • 3)配置节点服务器
        • 4)浏览器访问测试

LVS负载均衡群集

一.集群cluster与分布式

1.特点:

由多台主机构成,都干同样的一件事,对外展现为一个整体

2.类型

1)负载均衡群集 LB

提高系统响应效率,处理更多的访问请求,减少延迟,实现高并发、高负载的能力
典型代表:软件类:LVS Nginx HAProxy 等 硬件类:F5 绿盟

2)高可用群集 HA

提高系统可靠性,减少中断时间,确保服务的连续性(通常使用 N 个 9 来代表高可用的指标)
典型代表:Keepalived heartbeat

3)高性能运输群集 HPC

通过云计算或分布式计算获取高性能的CPU、内存等资源,来提高整体运算能力

3.分布式

1)特点

一个业务被拆成多个子业务,或者本身就是不同的业务,部署在多台服务器上。分布式中,每一台服务器实现的功能是有差别的,数据和代码也是不一样的,分布式每台服务器功能加起来,才是完整的业务。

2)

二.LVS

1.lvs的工作原理

1)当用户向负载均衡器(Director Server)发起请求,调度器将请求发送至内核空间;

2)PREROUTING链首先会接收到用户请求,判断目标IP确定是本机IP,将数据包发送到INPUT链;

3)IPVS是工作在INPUT链上的,当用户请求到达INPUT时,IPVS会将用户请求和自己已经定义好的集群服务进行对比,如果用户请求的就是定义的集群服务,那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口,并将新的数据包发送到POSTROUTING链;

4)POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器,那么此时通过选路,将数据包最终发送到后端的服务器;

2.lvs的三种工作模式

1)NAT 地址转换

调度器会作为所以节点服务器的默认网关,也是客户端的访问入口和节点服务器返回响应消息的出口,也就是说调度器会承载双向数据流量的负载压力,可能会成为整个群集的性能瓶颈。由于节点服务器都处于内网环境,使用私网IP地址,所以具有一定安全性。

2)TUN IP隧道 IP Tunnel

调度器仅作为客户端的访问入口,节点服务器的响应消息是直接返回给客户端的,不需要经过调度器。但是由于节点服务器需要部署在不同位置的公网环境中,需要具有独立的公网IP,调度器与节点服务器是通过专用的IP隧道实现相互通信的,因此IP隧道模式的成本较高、安全性较低,且IP隧道需要额外的封装和解封装,性能会受到一定的影响。

3)DR 直接路由 Direct Routing

调度器仅作为客户端的访问入口,节点服务器的响应消息是直接返回给客户端的,不需要经过调度器。(与NAT模式的区别)
节点服务器与调度器是部署在同一个物理网络内,因此不需要建立专用的IP隧道。(与TUN模式的区别)
DR模式是企业首选的LVS模式。

4)对比

工作模式 特点 区别 应用场景
NAT 通过网络地址转换实现的虚拟服务器,大并发访问时,调度器的性能成为瓶颈 调度器作为网关,是访问请求得到入口,也是响应访问的出口,在高并发场景当中负载压力很高,NAT地址转换可以提高安全性,但使用性能降低一半 因性能使用率问题,实际应用不多
DR 使用路由技术实现虚拟服务器,节点服务器需要配置VIP,注意MAC地址广播 调度器仅是访问请求的入口,响应数据不经过调度器。节点服务器和调度器在同一个物理网络中,数据转发不受额外影响 该模式是生产环境中最常用的
TUN 通过隧道方式实现虚拟路由器 调度器仅是访问请求的入口,响应数据不经过调度器。但是需要大量公网IP,还需要专用的IP隧道,数据转发受IP隧道影响 因公网IP问题,实际应用不多,常用于大型企业的异地灾备

3.lvs的调度算法

rr 轮询

将收到的请求按顺序轮流分配给群集中的各节点

wrr 加权轮询

根据调度器设置的权重值分发请求

权重值高的节点优先获得任务,并且得到的请求越多

可以保证性能高的节点承担更多

sh 源地址哈希

根据请求的源IP地址进行Hash计算,得到后端服务器

dh 目的地址哈希

根据请求的目的IP地址进行Hash计算,得到后端服务器

lc 最小连接

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

wlc 加权最小连接

在服务器节点的性能差异较大的 情况下,调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重(当前连接数/权重值,之后的请求会分发给这个值最大的)

权重较高的节点将承担更 大比例的活动连接负载

lblc 基于地址的最小连接

先根据请求的目标IP地址,若该服务器是可用的且并未超载,将请求发送到该服务器

4. ipvsadm工具

yum install -y ipvsadm

ipvsadm工具的功能

LVS群集创建与管理:

  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

ipvsadm工具选项

常用选项 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

三.LVS-NAT模式详解

1.LVS-NAT模式配置思路

1)配置 NFS 共享存储;
2)节点服务器安装 Web 服务,注意:默认网关要指向 调度器的IP地址,测试的时候关闭连接保持;
3)调度服务器要开启 IP路由转发 功能和设置 SNAT 等 iptables 规则,安装 ipvsadm 工具,配置虚拟服务器和真实节点服务器相关配置;
4)客户端测试的时候网关要指向 调度器的IP地址。

2.部署实例

调度器:内网关 ens33:192.168.82.10;外网关ens36:12.0.0.10
Web节点服务器1:192.168.82.100(网关设置为192.168.122.10)
Web节点服务器2:192.168.82.101(网关设置为192.168.122.10)
NFS服务器:192.168.82.88
客户端:12.0.0.88

1)配置 NFS 共享存储

systemctl disable firewalld.service --now
setenforce 0

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


mkdir /opt/test1 /opt/test2
chmod 777 /opt/test1 /opt/test2
echo "This is test1 web" > /opt/test1/index.html
echo "This is test2 web" > /opt/test2/index.html
#nfs
vim /etc/exports
 
/usr/share *(ro,sync)
/opt/test1 192.168.2.0/24(rw,sync)
/opt/test2 192.168.2.0/24(rw,sync)
 
exportfs -rv
#发布共享
showmount -e

2) 配置节点服务器

#web-1
systemctl disable firewalld
setenforce 0

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

mount.nfs 192.168.122.88:/opt/test1 /var/www/html
[root@web_server1 ~]# vim /etc/fstab
#末行写入,设置自动挂载
192.168.122.88:/opt/test1                 /var/www/html           nfs     defaults,netdev 0 0

#web2 
mount.nfs 192.168.122.88:/opt/test2 /var/www/html
vim /etc/fstab
#末行写入,设置自动挂载
192.168.122.88:/opt/test2                 /var/www/html           nfs     defaults,netdev 0 0

3)配置负载调度器

systemctl disable firewalld
setenforce 0

配置SNAT转发规则

#开启路由转发
vim /etc/sysctl.conf
#末行写入
net.ipv4.ip_forward = 1
sysctl -p

iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.122.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.10

加载LVS内核模块

for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs | grep -o "^[^.]*");do echo $1; /sbin/modinfo -F filename $1 > /dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $1;done 

安装ipvsadm管理工具

yum install -y ipvsadm
#启动服务前需保存负载分配策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm

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

#添加策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.10:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.82.100:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.82.101:80 -m -w 1

ipvsadm #启用策略

ipvsadm -ln
#查看节点状态,Masq代表NAT模式

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

之后多次访问http://12.0.0.10/查看结果

四.LVS-DR模式详解

1.数据包流向分析

┌Client┐                  ┌---[3]---┐                          ┌────RS1────┐
│      │<-----------------| VIP|CIP |<--------------------┐   ┌┤lo:VIP     │
│      │                  └---------┘                     └---││eth0:RIP1  │
│      │                 ┌────LVS────┐   ┌-----[2]-----┐      │└───────────┘
│      │   ┌---[1]---┐   │           │   |   CIP|VIP   |  ┌-->│┌────RS2────┐
│   CIP│---| CIP|VIP |-->│VIP     DIP│---|DIPmac|RIPmac|--┘   └┤lo:VIP     │
│      │   └---------┘   │           │   └-------------┘       │eth0:RIP2  │
└──────┘                 └───────────┘                         └───────────┘

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.IP包头及数据帧头信息的变化

1.Client向目标VIP发出请求,Director(负载均衡器)接收

2.Director根据负载均衡算法选择Real Sever_1,不修改也不封装IP报文,而是将数据帧的MAC地址改为Real Server_1的MAC地址,然后在局域网上发送

3.Real Server_1收到这个数据帧,解封装后发现目标IP与本机匹配(Real Server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

4.Client将收到回复报文。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,则报文通过路由器经由Internet返回给用户。

3.DR模式的特点

1)Director Server和Real Server必须在同一个物理网络中;

2)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;

3)Director Server作为群集的访问入口,但不作为网关使用;

4)所有的请求报文经由Real Server,但回复响应报文不能经过Director Server;

5)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;

6)Real Server上的lo接口配置VIP的IP地址。

4.LVS-DR中的ARP问题及解决方法

ARP问题1-相同IP

原因:在LVS-DR负载均衡集群中,负载均衡器与节点服务器都要配置相同的VIP地址。
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。
解决思路及方法: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的网络上,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。
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)。

ARP问题2-响应报文的源IP

原因:Real Server返回报文(源IP是VIP)经由路游记转发,重新封装报文时,需要先获取路由器的MAC地址。
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接口,如ens33接口。
路由器根据ARP表项,会将新来的请求报文转发给Real Server,导致Director的VIP失效。
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)

预防方法

修改/etc/sysctl.conf文件,末行添加如下内容:

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
#arp_ignore = 1
#防止网关路由器发送ARP广播时,调度器和节点服务器都进行相应,导致ARP缓存表的紊乱,不对非本地物理网卡IP的ARP请求进行响应,因为VIP是承载在lo:0。
#arp_announce = 2
#系统不使用响应数据包的源IP地址(VIP)来作为本机进行ARP请求报文的源IP地址,而使用发送报文的物理网卡IP地址作为ARP请求报文的源IP地址,这样可以防止网关路由器接收到源IP地址为VIP的ARP请求报文后又更新ARP缓存表,导致外网再发送请求时,数据包到不了调度器。

5.LVS-DR模式部署实例

DR服务器:192.168.122.10
Web服务器1:192.168.122.100
Web服务器2:192.168.122.101
VIP服务器:192.168.122.188
nfs服务器:192.168.122.88

1)配置负载调度器

#关闭防火墙和selinux
systemctl stop firewalld
setenforce 0

#安装ipvsadm
yum install -y ipvsadm

配置虚拟IP地址

cd /etc/sysconfig/network-scripts

cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0
#若是隧道模式,复制为ifcfg-tun10

vim ifcfg-ens33:0
 
DEVICE=ens33:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.122.188
NETMASK=255.255.255.255
 
[root@director network-scripts]# ifconfig ens33:0

调整proc响应系统
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
#末行写入以下内容
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

配置负载分配策略

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

#添加策略,若隧道模式,-g替换为-i
ipvsadm -A -t 192.168.2.188:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.2.188:80 -r 192.168.122.100:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.2.188:80 -r 192.168.122.101:80 -g

#保存策略并查看
ipvsadm
ipvsadm -ln  

2)部署NFS共享存储

#关闭防火墙和selinux
systemctl stop firewalld
setenforce 0

yum install -y nfs-utils rpcbind
mkdir /opt/test1 /opt/test2
chmod 777 /opt/test1 /opt/test2
echo "This is test1 web" > /opt/test1/index.html
echo "This is test2 web" > /opt/test2/index.html

#编辑共享目录
vim /etc/exports
 
/usr/share *(ro,sync)
/opt/test1 192.168.2.0/24(rw,sync)
/opt/test2 192.168.2.0/24(rw,sync)
 
#启动服务 
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
#查看目录
showmount -e

3)配置节点服务器

web1(192.168.2.100)

配置虚拟IP地址(VIP:192.168.2.188)
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
#配置lo:0
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0
vim ifcfg-lo:0
 
DEVICE=lo:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.122.188
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 192.168.122.188 dev lo:0
#临时添加

vim /etc/rc.local 
#末行添加,加入开机自启动
/sbin/route add -host 192.168.122.188 dev lo:0
 
chmod +x /etc/rc.d/rc.local 

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

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
  1. 安装服务,进行nfs挂载
#服务安装
yum install -y nfs-utils rpcbind httpd

#启动服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
systemctl start httpd

#将共享目录挂载到本机
mount.nfs 192.168.122.88:/opt/test1 /var/www/html
web2(192.168.2.101)

web2和web1的配置相同,除了最后的nfs挂载

4)浏览器访问测试

在客户端使用浏览器访问 [http://192.168.122.188](http://192.168.122.188/)

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