LVS 负载均衡详解 + NAT 集群构建
文章目录
- 一、企业集群应用概述
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- 1. 集群的含义
- 2. 企业应用中的问题
- 3. 企业集群的分类
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- (1) 负载均衡集群（Load Balance Cluster）
- (2) 高可用集群（High Availability Cluster）
- (3) 高性能运算集群（High Performance Computer Cluster）
- 二、负载均衡集群架构
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- 1. 负载均衡结构
- 2. 负载均衡工作模式
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- (1) NAT 模式
- (2) TUN 模式
- (3) DR 模式
- 三、LVS 虚拟服务器
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- 1. 简介
- 2. LVS 的负载调度算法
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- (1) 轮询（Round Robin）
- (2) 加权轮询（Weighted Round Robin）
- (3) 最少连接（Last Connections）
- (4) 加权最少连接（Weighted Least Connections）
- 3. ipvsadm 工具
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- 3.1 功能
- 3.2 ipvsadm 工具选项
- 四、LVS-NAT 模式实战案例
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- 1. 服务器 IP 配置
- 2. 部署共享存储
- 3. 配置 WEB 节点服务器
- 4. 配置负载调度器
- 5. 测试 LVS 集群
一、企业集群应用概述
1. 集群的含义
群集（Cluster），也可称为集群，是由多台主机构成，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. 企业应用中的问题
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。
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 技术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。
> 在企业中常用的一种群集：LVS（Linux Virtual Server，Linux 虚拟服务器）。
3. 企业集群的分类
根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型：
(1) 负载均衡集群（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) 高可用集群（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) 高性能运算集群（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。
二、负载均衡集群架构
1. 负载均衡结构
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公有的 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，堵在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。
2. 负载均衡工作模式
负载均衡群集是目前企业用的最多的群集类型，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（TUN 模式）
- 直接路由（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。由于数据的吞吐都经由负载调度器，因此访问性能将削弱一半，因此尽管拥有最高的安全性，但使用该模式的很少。
(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 隧道与负载调度器通信。该模式需要大量的公网 IP，因此使用较少，常用于大型企业的异地灾备。
(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，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。兼具安全性和访问性，是使用最多的一种模式。
三、LVS 虚拟服务器
1. 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.org/
LVS 现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自己调用。在 CentOS7 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。
[root@c7-1 ~]#modprobe ip_vs
[root@c7-1 ~]#cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
2. LVS 的负载调度算法
(1) 轮询（Round Robin）
将收到的访问请求按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。
(2) 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。
(3) 最少连接（Last 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。
(4) 加权最少连接（Weighted Least 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。
3. ipvsadm 工具
3.1 功能
LVS 群集创建与管理：
创建虚拟服务器
添加、删除服务器节点
查看群集及节点情况
保存负载分配策略
3.2 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 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 |
https://www.jianshu.com/p/4a3496b8006a
http://zh.linuxvirtualserver.org/node/5
https://segmentfault.com/a/1190000002609473
四、LVS-NAT 模式实战案例
1. 服务器 IP 配置
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。
> 负载调度器
内网关ens33：192.168.10.20
外网关ens37：10.0.0.20
> WEB节点服务器1
IP：192.168.10.30
网关：192.168.10.20
> WEB节点服务器2
IP：192.168.10.40
网关：192.168.10.20
> NFS服务器
IP：192.168.10.50
> 访问客户端
IP：10.0.0.30
网关：10.0.0.20
2. 部署共享存储
systemctl stop firewalld && systemctl enable firewalld
setenforce 0
yum -y install nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbind && systemctl enable rpcbind
systemctl start nfs && systemctl enable 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
cat > /etc/exports << EOF
/usr/share *(ro,sync)
/opt/test1 192.168.10.0/24(rw,sync)
/opt/test2 192.168.10.0/24(rw,sync)
EOF
exportfs -rv #发布共享
showmount -e #查看共享
3. 配置 WEB 节点服务器
web1（192.168.10.30）
systemctl stop firewalld && systemctl enable firewalld
setenforce 0
yum -y install httpd
systemctl start httpd && systemctl enable httpd
yum -y install nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbind && systemctl enable rpcbind
mount.nfs 192.168.10.50:/opt/test1 /var/www/html
echo "192.168.10.50:/opt/test1 /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0" >> /etc/fstab
mount -a
web2（192.168.10.40）
systemctl stop firewalld && systemctl enable firewalld
setenforce 0
yum -y install httpd
systemctl start httpd && systemctl enable httpd
yum -y install nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbind && systemctl enable rpcbind
mount.nfs 192.168.10.50:/opt/test2 /var/www/html
echo "192.168.10.50:/opt/test2 /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0" >> /etc/fstab
mount -a
4. 配置负载调度器
内网关 ens33：192.168.10.20
外网关 ens37：10.0.0.20
配置 SNAT 转发规则
systemctl stop firewalld && systemctl enable firewalld
setenforce 0
cat >> /etc/sysctl.conf <<EOF
net.ipv4.ip_forward = 1
EOF
sysctl -p
iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.10.0/24 -o ens37 -j SNAT --to-source 10.0.0.20
加载 LVS 内核模块
modprobe ip_vs #加载 ip_vs 模块
cat /proc/net/ip_vs #查看 ip_vs 版本信息
安装 ipvsadm 管理工具
yum install -y ipvsadm
#启动服务前须保存负载分配策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
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 10.0.0.20:80 -s rr
ipvsadm -a -t 10.0.0.20:80 -r 192.168.10.30:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 10.0.0.20:80 -r 192.168.10.40:80 -m -w 1
#启用策略
ipvsadm
#查看节点状态，Masq 代表 NAT 模式
ipvsadm -ln
#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
PS：两台作负载均衡的主机，记得把网关都指向调度器的内网关
补充命令
#删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -d -t 10.0.0.20:80 -r 192.168.10.20:80
#删除整个虚拟服务器
ipvsadm -D -t 10.0.0.20:80
#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
5. 测试 LVS 集群
打开 Win10 修改网络适配器，测试机的网关指向调度器的的外网关
网卡使用调度器外网关的网卡，这里是仅主机模式
打开浏览器，访问 http://10.0.0.20，将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可能也不一样（需多刷新几次，间隔需多等待一会儿）
在 LVS 负载调度器中，通过查看节点状态可以观察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同
[root@director ~]#ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 10.0.0.20:80 rr
-> 192.168.10.30:80 Masq 1 0 1
-> 192.168.10.40:80 Masq 1 0 1