基于LVS负载均衡的高性能Web站点设计与实现

1、部署环境架构设计

随着Web站点访问量的不断提高，Web服务器处理请求的压力将会日益增大，进而影响到Web站点的性能。当单台Web服务器所能承受的压力到达极限时，就需要有更多的服务器来分担工作，将流量合理转移到更多的服务器上。本文主要介绍通过LVS来组建服务器集群，同时配置反向代理服务器实现Web页面的动静分离，以满足高并发、高可用的生产环境要求。

补充说明：Apache部分亦可以用Nginx替换，具体情况可结合实际生产环境考虑。

机器清单列表：
两台LVS服务器，两台反向代理服务器，两台静态内容缓存服务器，两台动态请求处理服务器，具体用途说明详见下表。

组件	IP地址	用途
虚拟Web服务器	192.168.85.10	虚拟IP，高性能Web站点的访问入口
Master主服务器	192.168.85.80	均衡调度Web请求
Backup备份服务器	192.168.85.81	双机热备，保证LVS的可用性和稳定性
Nginx	192.168.85.90	zone A的反向代理，记录接入访问操作
Nginx	192.168.85.95	zone B的反向代理，记录接入访问操作
Varnish + Apache	192.168.85.91	缓存zone A的静态页面
Varnish + Apache	192.168.85.96	缓存zone B的静态页面
Apache + PHP-FPM	192.168.85.93	处理zone A的动态请求和跳转规则
Apache + PHP-FPM	192.168.85.97	处理zone B的动态请求和跳转规则

说明：

(1) zone（区域）可以代表为机柜、交换机甚至是数据中心，将站点架设在不同的zone上，是出于容灾的考虑，以此减小Web站点因单点故障而造成无法访问的风险；

(2) 使用nginx作为纯粹的反向代理服务器，将静态页面的访问请求交给Varnish，动态请求交给Apache处理，nginx本身只负责记录请求访问的接入状况以及wap请求的跳转； 

(3) 静态资源模块选用Varnish做cache缓存，与传统的Squid相比，Varnish具有性能更高、速度更快、管理更方便等诸多优点，分析如下：
第一， 稳定性更高，在同等负荷的压力下，Squid发生故障的几率要比Varnish高，Squid需要经常重启；
第二， 访问速度更快，Varnish采用了“Visual Page Cache”技术，缓存数据直接从内存读取，内存管理和回收的机制健全，当缓存内容超过内存阈值时，内核会自动将一部分缓存存入swap中让出内存，从而避免了频繁地在内存和磁盘之间进行文件交换；
第三， Varnish便提供了一个命令行的状态监控程序varnishstat，从整体上了解Varnish的命中率和缓存状态，对缓存性能调优有很大的帮助；
第四， 相比Squid而言，Varnish可以通过管理端口，使用正则表达式快速、批量地清除部分缓存。
然而，其弊端还是比较明显的：
第一， Varnish在高并发状态下CPU、I/O和内存等资源开销都高于Squid；
第二， Varnish进程一旦挂起、崩溃或者重启，缓存数据都会从内存中完全释放，此时所有的请求都会被发送到后端服务器，在高并发情况下，这会给后端服务器造成很大压力；
第三， 重启Varnish后，在上线前需要重新计算请求数据，预热缓存。 

(4) 动态请求模块，采用Apache和PHP-FPM相结合，以FastCGI模式运行PHP，其好处在于：
第一， 具有灵活性和可扩展性，在Web服务器和具体CGI程序之间建立了一个智能可持续的中间层，把PHP动态语言和Web服务器分离开来，Web服务器只需将请求提交到中间层，再由中间层分配到若干个可服用的CGI程序实例中，一方面便于大规模的扩展和改进安全性，另一方面避免了进程反复地fork，根据不同的状况fork或者回收实例，达到灵活性和稳定性兼得的目的；
第二， 出现故障时，可以更好地定位到是Web服务器还是PHP的问题，当PHP出错时不会搞垮Web服务器，将PHP进程kill掉以后便立即重新启动一个新的PHP进程替代；
第三， 可以通过中间层的控制和探测机制来监视实例的运行情况，根据实际的应用进行合理配置达到最佳效果。

2、安装与配置说明

系统环境：CentOS6.4 x86_64，内核：Linux version 2.6.32-358.el6

2.1 Apache与PHP-FPM

安装动态请求模块的机器IP如下：
192.168.85.93
192.168.85.97

1. 安装编译相关的依赖包
# yum install httpd httpd-devel apr apr-devel libtool make gcc
# /etc/init.d/httpd start 
这时，直接在浏览器中输入服务器的IP地址，即可看到Apache2的默认页面。

2. 下载mod_fastcgi源代码
# cd /opt/
# wget http://www.fastcgi.com/dist/mod_fastcgi-current.tar.gz

3. 解压并进行编译安装
# tar zxvf mod_fastcgi-2.4.6.tar.gz
# cd mod_fastcgi-2.4.6
# cp Makefile.AP2 Makefile
# vim Makefile
修改top_dir目录，64位系统的路径为lib64,32位系统的路径为/usr/lib/httpd

… top_dir      = /usr/lib64/httpd …

保存退出后，开始进行编译安装。
# make
# make install

4. 加载模块
# vim /etc/httpd/conf/httpd.conf
找到LoadModule部分，添加一行加载语句

... LoadModule fastcgi_module modules/mod_fastcgi.so ...

5. 重启服务
# /etc/init.d/httpd restart

如果能正常启动，则log里面将显示以下信息 
# grep -i "FastCGI" /var/log/httpd/error_log
[Mon Jul 29 06:54:27 2013] [notice] FastCGI: process manager initialized (pid 2098) 
[Mon Jul 29 06:54:27 2013] [notice] Apache/2.2.15 (Unix) DAV/2 mod_fastcgi/2.4.6 configured -- resuming normal operations 

6. 安装PHP-FPM（FastCGI进程管理器）
PHP-FPM（FastCGI 进程管理器）用于替换 PHP FastCGI 的大部分附加功能，对于高负载网站是非常有用的。
# yum install php-fpm
# /etc/init.d/php-fpm start
# chkconfig php-fpm on
# netstat -anp |grep php
tcp   0      0    127.0.0.1:9000     0.0.0.0:*        LISTEN  2575/php-fpm        
unix  3      [ ]         STREAM     CONNECTED     25812  2575/php-fpm        
unix  3      [ ]         STREAM     CONNECTED     25811  2575/php-fpm        

7. 修改配置
新建一个配置文件/etc/httpd/conf.d/fastcgi.php.conf

DirectoryIndex index.html index.shtml index.cgi index.php AddHandler php5-fcgi .php Action php5-fcgi /php5-fcgi Alias /php5-fcgi /var/www/cgi-bin/php5-fcgi FastCgiExternalServer /var/www/cgi-bin/php5-fcgi -idle-timeout 60 -host 127.0.0.1:9000 -pass-header Authorization

重启Apache和PHP-FPM： 
# service httpd restart 
# service php-fpm restart

2.2 Varnish与Apache

安装静态缓存模块的机器IP如下：
192.168.85.91
192.168.85.96

1. 安装repo源及软件
# rpm --nosignature -i http://repo.varnish-cache.org/redhat/varnish-3.0/el6/noarch/varnish-\
release-3.0-1.el6.noarch.rpm
# yum install varnish
# yum install httpd

2. 修改配置文件
(1) Apache的默认服务端口更改为8080

… #Listen 12.34.56.78:80 Listen 8080 …

启动Apache服务： 
# service httpd start 

(2) Varnish需要配置好后端服务器Apache的位置，以便找到需要缓存加速的文件。
# vim /etc/varnish/default.vcl

backend default {       .host = "127.0.0.1";       .port = "8080"; }

3. 启动Varnish
# varnishd -f /etc/varnish/default.vcl -s malloc,1G -T 127.0.0.1:2000 -a 0.0.0.0:80
其中，-f指定的是Varnish配置文件位置，-s指定分配的缓存空间大小，-T为Varnish管理接口的监听地址，-a指定对外接收HTTP请求的监听地址。

2.3 Nginx反向代理

安装反向代理模块的机器IP如下：
192.168.85.90
192.168.85.95

1. 安装repo源及软件
# rpm -Uvh http://dl.fedoraproject.org/pub/epel/6/x86_64/epel-release-6-8.noarch.rpm
# yum install nginx

2. 修改配置文件
主配置文件/etc/nginx/nginx.conf无需做太大改动，只需将worker_processes设置成与机器CPU核数相等即可（如CPU数为1，则worker_processes  1;），以zone A为例：
# vim /etc/nginx/conf.d/virtual.conf

upstream backend {     server 192.168.85.90; } server {     listen           80;     server_name     192.168.85.91; # 静态缓存     location / {         proxy_pass http://backend;     } # 动态请求     location ~ \.(php)?$ {         proxy_set_header Host $host;         proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;         proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;         proxy_pass http:// 192.168.85.93;     } }

3. 启动nginx服务
# service nginx start

2.4 LVS负载均衡

安装负载均衡模块的机器IP如下：
192.168.85.80
192.168.85.81
LVS有四种常见的工作模式：NAT、DR、TUNNEL、FNAT。本文选用的工作模式为DR（Direct Route），负载均衡器接收用户的请求，然后根据负载均衡算法选取一台realserver，将包转发过去，最后由realserver直接回复给用户。

1. 下载所需软件
#cd /opt/
# wget http://www.linuxvirtualserver.org/software/kernel-2.6/ipvsadm-1.24.tar.gz
# wget http://www.keepalived.org/software/keepalived-1.1.18.tar.gz
# yum install -y openssl openssl-devel* popt*

2. 安装ipvsadm（master和backup都需要安装）
首先，建立内核快捷方式
# ln -s /usr/src/kernels/2.6.32-358.14.1.el6.x86_64/ /usr/src/linux
如果没有找到相关路径或文件，则需要手动安装内核
# yum -y install kernel-devel
然后，解压并编译ipvsadm
# cd /opt/
# tar zxvf ipvsadm-1.24.tar.gz
# cd ipvsadm-1.24
# make
# make install
接下来，测试ipvsadm是否安装成功
# /sbin/ipvsadm –v
ipvsadm v1.24 2005/12/10 (compiled with getopt_long and IPVS v1.2.1)
显示上述信息则表示安装成功。

3. 安装keepalived（master和backup都需要安装）
# cd /opt/
# tar zxvf keepalived-1.1.18.tar.gz
# cd keepalived-1.1.18
# ./configure --prefix=/usr/local/keepalived
# make
# make install
# cd /usr/local/keepalived/
# cp etc/rc.d/init.d/keepalived /etc/rc.d/init.d/
# cp etc/sysconfig/keepalived /etc/sysconfig/
# mkdir /etc/keepalived
# cp etc/keepalived/keepalived.conf /etc/keepalived/
# cp sbin/keepalived /usr/sbin/
启动keepalived
# service keepalived start

4. 修改master和backup的配置文件
首先，开启ip_forward转发功能
# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
然后，配置keepalived.conf文件
# vim /etc/keepalived/keepalived.conf

! Configuration File for keepalived global_defs {    notification_email {      [email protected]      [email protected]    }    notification_email_from [email protected]    smtp_server 192.168.200.1    smtp_connect_timeout 30    router_id LVS_DEVEL } vrrp_instance VI_1 {     state MASTER                           # 备份服务器上将MASTER改为BACKUP     interface eth0                           # HA监测网络接口     virtual_router_id 51                      # 主、备机的virtual_router_id必须相同     priority 30                              # 主、备机取不同的优先级，主机值较大，备份机值较小     advert_int 1                             # VRRP Multicast广播周期秒数     authentication {         auth_type PASS                      # VRRP认证方式         auth_pass 1111                      # VRRP口令字     }     virtual_ipaddress {         192.168.85.10                       # 如果有多个VIP，继续换行填写     } } virtual_server 192.168.85.10 80 {     delay_loop 2                            # 每隔2秒查询realserver状态     lb_algo rr                               # lvs 算法     lb_kind DR                              # Direct Route     persistence_timeout 50                   # 同一IP的连接50秒内被分配到同一台realserver     protocol TCP                            # 用TCP协议检查realserver状态     real_server 192.168.85.90 80 {         weight 80         TCP_CHECK {             connect_timeout 3             nb_get_retry 3             delay_before_retry 3         }     }     real_server 192.168.85.95 80 {         weight 20         TCP_CHECK {             connect_timeout 3             nb_get_retry 3             delay_before_retry 3         }     } }

BACKUP服务器同上配置，先安装lvs再按装keepalived,仍后配置/etc/keepalived/keepalived.conf，只需将红色标示的部分改一下即可。 5. 配置VIP
# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0

DEVICE=lo:0 IPADDR=192.168.85.10 NETMASK=255.255.255.255 ONBOOT=yes NAME=loopback

重启网卡和keepalived服务即可。

6. 配置ipvsad m（master和backup都需要设置好）
添加负载均衡器
# /sbin/ipvsadm -A -t 192.168.85.10:80 -s rr
增加realserver
# /sbin/ipvsadm -a -t 192.168.85.10:80 -r 192.168.85.90:80 -g   # 192.168.85.90是真实机的ip
# /sbin/ipvsadm -a -t 192.168.85.10:80 -r 192.168.85.95:80 -g   # 192.168.85.95是真实机的ip
# route add -host 192.168.85.10 dev lo:0

7．配置realserver（所有的Proxy Server都要设置好）
配置vip地址
# /sbin/ifconfig lo:0 192.168.85.10 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.85.10 up
# route add -host 192.168.85.10 dev lo:0 

3、环境测试

3.1 Apache与PHP-FPM

创建phpinfo页面，查看详细配置信息。
# echo "<?php phpinfo(); ?>" > /var/www/html/info.php
浏览器中访问http://192.168.85.93/info.php，显示页面如下。

Server API显示为通过FPM提供服务，使用FastCGI协议传递请求，配置成功。

3.2 Varnish与Apache

输入varnishstat指令查看varnish运行情况，最重要的是 cache_hit 和 cache_miss 这两行。如果没有任何命中，cache_hits 不会显示。当越来越多的请求进来，计数器会不断更新以反应新的命中数和未命中数。


另外，常用的还有varnishlog指令，当中有很多的选项可以在查询时使用。因此，强烈推荐在排错或测试时使用varnishlog。可以阅读varnish的man page来查看这个命令的详细使用情况。下面是一些使用的例子。

显示varnish和客户端之间的通信（忽略后端web服务器）： # varnishlog -b 显示varnish接收到的HTTP头信息（既有客户端请求的，也有web服务器响应的）： # varnishlog -c -i RxHeader 只显示web服务器响应的头信息： # varnishlog -Dw /var/log/varnish.log 从/var/log/varnish.log中读取所有日志信息 # kill `cat /var/run/varnish.pid` 这个命令会从/var/run/varnish.pid中读取varnish的主进程的PID，并给这个进程发送TERM信号，从而关闭varnish。

3.3 Nginx

通过分别访问静态页面（.html）和动态页面（.php），测试动静分离是否生效，以zone A为例：
访问静态页面：
# curl –I http://192.168.85.90/index.html

HTTP/1.1 200 OK Server: nginx/1.0.15 Date: Tue, 30 Jul 2013 05:58:21 GMT Content-Type: text/html; charset=UTF-8 Connection: keep-alive Last-Modified: Sun, 28 Jul 2013 19:30:16 GMT ETag: "bff82-16-4e29767d7c8be" Content-Length: 22 Accept-Ranges: bytes X-Varnish: 810334599 Age: 0 Via: 1.1 varnish

访问动态页面：
# curl –I http://192.168.85.90/info.php

HTTP/1.1 200 OK Server: nginx/1.0.15 Date: Tue, 30 Jul 2013 06:00:23 GMT Content-Type: text/html; charset=UTF-8 Connection: keep-alive X-Powered-By: PHP/5.3.3

3.4 LVS负载均衡

首先，静态资源服务器中新建一个index.html页面，然后，再验证LVS是否能提供服务。
Zone A：192.168.85.91
# echo " This is zone A! " > /var/www/html/index.html
Zone B：192.168.85.96
# echo " This is zone B! " > /var/www/html/index.html

在master机器上查看负载均衡器的运行状况：
# ipvsadm -L -n
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.85.10:80 rr persistent 50
  -> 192.168.85.90:80             Route   40     0          0 
  -> 192.168.85.95:80             Route   1       0          0 

访问Web站点，从浏览器页面可知，访问请求跳转到了zone A

将zone A的Nginx反向代理关闭，重新访问Web站点，从浏览器页面可知，访问请求跳转到zone B
（注意清空浏览器缓存）

由此可见，LVS能够按照预期设定，通过检查绑定服务器的可用性，将Web站点的访问请求跳转到对应的反向代理服务器当中。

参考资料

http://my.oschina.net/alanlqc
https://www.varnish-cache.org/installation/redhat
https://www.varnish-cache.org/docs/3.0/
http://blog.csdn.net/poechant/article/details/7256184
http://blog.yunvi.com/html/797.html