LVS负载均衡群集

LVS负载均衡群集

一、群集应用概述

1、群集的含义

Cluster，集群、群集

由多台主机构成，都干同一件事，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、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。

3、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。

二、群集分类

1、群集类型

负载均衡群集

高可用群集

高性能运算群集

1.1、负载均衡群集(LB)

• 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

  典型代表：软件类：LVS、Nginx、HAProxy 等 硬件类：F5、绿盟

• 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

1.2、高可用群集(HA)

• 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（通常使用N个9来代表高可用的指标）

  典型代表：keepalived heartbeat

• 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

1.3、高性能运算群集(HPC)

• 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
• 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

三、负载均衡群集架构

1、负载均衡的结构

• 第一层，负载调度器

  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

  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

  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。

四、LVS负载均衡群集工作模式分析

1、群集的负载调度技术工作模式

• 地址转换
• IP隧道
• 直接路由

1.1、NAT模式（地址转换）

• Network AddressTranslation，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，即作为客户端的访问入口，也是各节点回应客户端的访问出口，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，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

1.2、TUN模式（IP隧道）

• IPTunnel，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端的访问入口，各节点通过各自的Internet连接直接回应客户端，而不再经过负载调度器。
• 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。

1.3、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，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），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）

五、关于LVS虚拟服务器

• 针对Linux内核开发的负载均衡解决方案
• 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。
• 官方网站：http://www.linuxvirtualserver.org/
• LVS只能支持四层代理，并且LVS不能进行端口转换

1、ip_vs模块

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。

modprobe ip_vs
#加载ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs
#查看当前系统中ip_vs模块的版本信息

#查看linux系统支持多少种ip_vs模块
cd /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs
ls
#ip_vs的模块

#怎么加载ip_vs的所有模块？
cd /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs
#用for循环，把所有模块遍历一遍
for i in `/usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs`
do
k=`echo $i | awk -F.'{print $1}'`
#用k去获取每一次遍历后获得的模块名
modprode $k
#再用modprode加载每个模块
done

2、LVS的负载调度算法

LVS调度器常见算法(均衡策略)?
LVS调度器用的调度方法基本分为两类:

固定调度算法:rr，wrr，dh，sh
rr:轮询算法，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。
wrr:加权轮训调度，依据不同RS的权值分配任务。权值较高的RS将优先获得任任务，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。 
dh:目的地址哈希调度(destination hashing)以目的地址为关键字查找一个个静态hash表来获得所需RS。
sh:源地址哈希调度(source hashing)以源地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS。

动态调度算法:wlc，lc，lblc
wlc:加权最小连接数调度，假设各台RS的权值依次为wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次去Ti/wi为最小的RS作为下一个分配的RS。 
lc:最小连接数调度(least-connection)，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。 
lblc:基于地址的最小连接数调度(locality-based least-connection):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，并以它作为下一次分配的首先考虑。

3、ipvsadm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（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

4、LVS-NAT部署

实验环境：
LVS调度器作为Web服务器池的网关，LVS两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr）调度算法。
NFS共享服务器：192.168.210.103（7-3）
LVS负载调度器（双网卡）：192.168.210.104（7-4）
            内网关ens33:192.168.210.104
            外网关ens36:12.0.0.10
Web服务器池：节点服务器1：192.168.210.105（7-5）
            节点服务器2：192.168.210.106（7-6）
客户端：192.168.210.107

1）部署共享存储

7-3（192.168.210.103）
systemctl stop firewalld.service
setenforce 0
#关闭防火墙
yum install rpcbind nfs-utils -y
#安装rpcbind nfs-utils
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service
#开启服务

mkdir /opt/kkk1 /opt/kkk2
#创建两个共享目录
echo 'this is kkk1 test web page!' > /opt/kkk1/test.html 
echo 'this is kkk2 test web page!' > /opt/kkk2/test.html
#准备两个页面
ls /opt/kkk1
ls /opt/kkk2
#查看是否生成test.html文件
cat /opt/kkk1/test.html
cat /opt/kkk2/test.html
#查看文件内容

vim /etc/exports
#添加共享目录
/opt/kkk1 192.168.210.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/opt/kkk2 192.168.210.0/24(rw,sync,no_root_squash)
#sync：同时同步到内存和硬盘当中
#async：先同步到内存，内存再统一刷到磁盘中
#no_root_squash：如果客户端的root用户进行写入的话不进行降权

exportfs -rv
#发布共享
showmount -e
#查看共享文件

sync和async的区别？
async的写入效率比较高，但是不是很安全
sync的io消耗比较大，读写效率变慢

2）配置节点服务器

7-5(192.168.210.105)
yum install -y httpd
#安装apache服务
vim /etc/httpd/conf/httpd.conf
#修改配置文件
ServerName www.bkg.com:80
#修改主机名
KeepAlive off
#在最后一行添加，LVS只能支持四层代理转发，四层代理转发会受到长连接的影响，为了保证饰演的流畅性，要关闭长连接

mount 192.168.210.103:/opt/kkk1 /var/www/html/
#把7-3服务器/opt/kkk1挂载到7-5服务器的/var/www/html/
df -hT
#查看挂载
cd /var/www/html/
ls
#去/var/www/html/查看是否有test.html
cat test.html
#查看文件内容

systemctl start httpd
#开启apache服务
ss -lntp | grep 80
#查看80端口是否开启

7-6(192.168.210.106)
cd /etc/yum.repos.d/
mkdir bak
mv *.repo bak
vim nginx.repo

[nginx]
name=nginx repo
baseurl=http://nginx.org/packages/centos/$releasever/$basearch/
gpgcheck=1
enabled=1
gpgkey=https://nginx.org/keys/nginx_signing.key
module_hotfixes=true

yum install nginx -y
#yum安装nginx

vim /etc/nginx/nginx.conf
keepalive_timeout 0;
#关闭长连接
systemctl start nginx
#开启nginx服务

cd /usr/share/nginx/html
ls
mv * /opt/
#把/usr/share/nginx/html目录下的文件移到opt目录下
cd /opt/
mount 192.168.210.103:/opt/kkk2 /usr/share/nginx/html
##把7-3服务器/opt/kkk1挂载到7-6服务器的/usr/share/nginx/html目录
df -hT
#查看挂载

cd /usr/share/nginx/html
ls
#查看是否有test.html文件
mv /opt/* ./
ls
#再把文件移回到/usr/share/nginx/html目录

#在浏览器访问
http://192.168.210.105/test.html
http://192.168.210.106/test.html

3）配置负载调度器

（1）添加网卡

7-4（192.168.210.104）
#先添加一个网卡
systemctl stop firewalld.service
setenforce 0
#关闭防火墙
ifconfig
#查看网卡

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
vim ifcfg-ens36
#设置网卡地址，注释掉网关和DNS
NAME=ens36
DEVICE=ens36
ONBOOT=yes
IPADDR=12.0.0.10
NETMASK=255.255.255.0

vim ifcfg-ens33
#注释掉网关和DNS
#GATEWAY=192.168.210.2
#DNS1=8.8.8.8
#DNS2=218.2.135.1
systemctl restart network
#重启网卡
ifconfig
#查看网卡

（2）修改客户端网卡配置

7-7
ifconfig
#查看网卡
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
IPADDR=12.0.0.120
GATEWAY=12.0.0.10
#网关与调度器的ip地址一致
systemctl restart network
#重启网卡
ifconfig
#查看网卡

ping 12.0.0.10
ping 192.168.210.104
#测试是否能ping通调度器中的两个网卡地址
ping 192.168.210.105
#ping节点服务器ping不通，因为没有开启LVS的ip转发功能,网关地址没有改成LVS服务器的IP地址

（3）开启调度器ip转发功能

7-4(192.168.210.104)
vim /etc/sysctl.conf
#开启LVS的ip转发功能
net.ipv4.ip_forward=1

sysctl -p
#加载

（4）修改节点服务器网关地址

7-5，7-6
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY=192.168.210.104
#把节点服务器1的网关地址改成LVS服务器的IP地址
systemctl restart network
#重启网卡

7-7(12.0.0.120)
ping 192.168.210.105
ping 192.168.210.106
#可以ping通

（5）配置SNAT规则

#内网主机要与外网通信，配置SNAT
7-4
iptables -nL
#查看默认规则
iptables -F
#如果有默认规则就清空
iptables -F -t nat
#删除表
iptables -nL -t nat
#查看是否清空

iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.210.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.10
#添加SNAT
iptables -nL -t nat
#查看是否添加SNAT

（6）加载LVS内核模块

cd /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs

for i in `/usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs`
do
k=`echo $i | awk -F.'{print $1}'`
modprode $k
done
#加载所有ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs				
#查看 ip_vs版本信息

（7）安装ipvsadm管理工具

yum install -y ipvsadm
#安装ipvsadm工具
systemctl start ipvsadm
#开启ipvsadm,启动失败
vim /var/log/messages
#查看日志报错信息

touch /etc/sysconfig/ipvsadm
ll /etc/sysconfig/ipvsadm
#创建ipvsadm文件
ipvsadm-save > /opt/ipvsadm
#启动服务前须保存负载分配策略
systemctl start ipvsadm
#重新开启
systemctl status ipvsadm

（8）配置负载分配策略

ipvsadm -ln
#查看当前是否有策略，如果有，就ipvsadm -C清空一下
ipvsadm -A -t 12.0.0.10:80 -s rr 
#添加虚拟服务器
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.210.105:80 -m 
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.210.106:80 -m
#添加真实服务器
ipvsadm -ln
#查看当前策略
ipvsadm
#激活

4）客户端测试效果

7-7
curl http://12.0.0.10/test.html
#可以正常实现负载均衡

#在内置浏览器测试
http://12.0.0.10/test.html
#不断刷新浏览器测试负载均衡效果

5、补充知识

7-4
ipvsadm-save > /opt/ipvsadm
#启动服务前须保存负载分配策略

ipvsadm -d -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.210.105:80
#删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.210.105:80
#用-a添加回来

ipvsadm -D -t 12.0.0.10:80
#删除整个虚拟服务器
#恢复LVS策略
cd /opt/
ls
cat ipvsadm
ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm
#重定向输入这个文件，导入就可以恢复
ipvsadm -ln
#查看当前策略
ipvsadm
#激活