Linux系统之LVS负载均衡群集

一、群集技术的概述

1、群集的类型

无论是那种群集，都至少包括两台节点服务器，而外表现为一个整体，只提供一个访问入口，相当于一台大型计算机。根据群集所针对的目标差异，可分为以下三种内型。

负载均衡群集：以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，获得高并发，高负载的整天性能，例如：“DNS轮询”，“应用层交换”，“反向代理”等都可以做负载均衡群集。

高可用群集：以提高应用系统的可靠性，尽可能地减少中断时间，确保服务的连续性，达到高可用的容错效果，例如：“故障切换”，“双机热备”，“多机热备”等都属于高可用群集。

高性能运算群集：以提高应用系统的CPU运算速度，扩展硬件资源和分析能力，获得相当于大型，超级计算机的高性能运算能力，例如：“云计算”等就属于高性能运算群集的一种。

2、负载均衡的分层结构

在典型的负载均衡群集中，包括以下三个层次的组件。

第一层：负载调度器，这是访问整个群集系统的唯一入口，多外使用所有服务器共有的VIP(虚拟IP)地址，也称群集IP地址。通常会配置主，备两台调度器实现热备，当主调度器失效以后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，其中的每个节点具有独立的RIP(真实IP)地址，只处理调度器分发过来的客户机请求。

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。在Linux环境中，共享存储可以使用NAS设备或者提供NFS(网络文件系统)共享服务的专用服务器。

典型的负载均衡群集结构拓扑图如下：

3、负载均衡的工作模式

关于群集的负载调度技术，可以基于IP，端口，内容等进行分发，其中基于IP的负载调度室效率最高的。基于IP的负载均衡中，常见的有地址转换，IP隧道，直接路由这三种工作模式。如下图所示：

地址转换：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，也是个节点回应客户机的访问出口，服务器节点使用私有IP地址，与负载均衡调度器位于同一个物理网络，安全性要优于其他两种方式。

IP隧道：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，而不再经过负调度器。服务器节点分散在互联网的不同位置，具有独立的公网IP地址，通常专用IP隧道与负载调度器相互通信。

直接路由：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，但个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。负载调度器与个节点服务器通过本地网络连接，不需要建立专用的IP隧道。

二、LVS虚拟服务器概述

Linux Virtual Server是针对Linux内核开发的一个负载均衡项目，LVS现在已经成为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。

1、LVS的负载调度算法

轮询(rr)：将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点，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(wrr)：根据真实服务器的处理能力轮流分配收到的访问请求，调度器可以自动查询各节点的负载情况，并动态调整其权重。

最少连接(lc)：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(wlc)：在服务节点的性能差异较大的情况下，可以为真实服务器自动调整权重，权重较高的节点将承载更大比例的活动连接负载。

2、加载LVS内核模块，安装ipvsadm管理工具

ipvsadm是在负载调度器上使用的LVS群集管理工具，通过调用ip_vs模块来添加，删除服务器节点，以及查看群集的运行状态。

[root@localhost /]#modprobe ip_vs
[root@localhost /]#rpm -ivh /media/Packages/ipvsadm-1.25-9.e16.i686.rpm

3、使用ipvsadm工具管理LVS群集

LVS群集的管理工作主要包括：创建虚拟服务器，添加服务器节点，查看群集节点状态，删除服务器节点保存负载分配策略。

1）创建虚拟服务器

若群集的VIP地址为172.16.16.172，针对TCP的80端口提供负载分流服务，使用调度算法为轮询，则命令语法如下。对于负载均衡调度器来说，VIP必须是本机(调度器)实际以启用的IP地址。

[root@localhost /]#ipvsadmin -A -t 172.16.16.172:80 -s rr

上述操作中，选项“-A”表示添加虚拟服务器，“-t”用来指定VIP地址及TCP端口，“-s”用来指定负载调度算法――轮询(rr)，加权轮询(wrr)，最少连接(lc)，加权最少连接(wlc)。

2）添加服务器节点

为虚拟服务器172.16.16.172添加四个服务器节点，IP地址依次为192.168.7.21-192.168.7.24，对应的ipvsadm命令语法如下。若希望使用保持连接，可以使用“-p 60”参数，其中60为60秒。

[root@localhost /]#ipvsadmin -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.21:80 -m -w 1
[root@localhost /]#ipvsadmin -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.22:80 -m -w 1
[root@localhost /]#ipvsadmin -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.23:80 -m -w 1
[root@localhost /]#ipvsadmin -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.24:80 -m -w 1

上述操作中，选项“-a”表示添加真实服务器，“-t”用来指定VIP地址及TCP端口，“-r”用来指定RIP地址及TCP端口，“-m”表示使用NAT群集模式(-g DR模式，-i TUN模式)，“-w”用来设置权重(权重为0时表示暂停节点)

3）查看群集节点状态

结合选项“-L”可以列表查看LVS虚拟服务器，可以指定只查看某一个VIP地址，结合选项“-n”将以数字形式显示地址，端口等信息。

[root@localhost /]#ipvsadm -L -n       //查看节点状态
[root@localhost /]#ipvsadm -Lnc        //查看负载连接情况

4）删除服务器节点

需要删除服务器池中某一个节点时，使用选项“-d”。执行删除操作必须指定目标对象，包括节点地址，虚拟IP地址。如果需要删除整个虚拟服务器时，使用选项“-D”并指定虚拟IP地址即可，无需指定节点。

[root@localhost /]#ipvsadm -d -r 192.168.7.24:80 -t 172.16.16.172:80
[root@localhost /]#ipvsadm -D -t 172.16.16.172:80   //删除整个虚拟服务器

5）保存负载分配策略

使用导出/导入工具ipvsadm-save/ipvsadm-restore可以保存，恢复LVS策略，操作方法类似于iptables规则的导入/出 。

[root@localhost /]#ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm     //保存策略
[root@localhost /]#service ipvsadm stop     //停止服务(清楚策略)
[root@localhost /]#service ipvsadm start    //启动服务(加载保存的策略)

三、配置NFS共享存储服务

NFS是一种基于TCP/IP传输的网络文件系统协议，最初由SUN公司开发。

1、使用NFS发布共享资源

NFS服务的实现依赖于RPC(远程过程调用)机制，以完成远程到本地的映射过程。在RHEL 6系统中，需要安装nfs-utils和rpcbind软件包来提供NFS共享服务，前者用NFS共享发布和访问，后者用于NPC支持。

1）安装nfs-utils和rpcbind软件包

[root@localhost /]#yum -y install nfs-utils rpcbind
[root@localhost /]#chkconfig nfs on
[root@localhost /]#chkconfig rpcbind on

2）设置共享目录

NFS的配置文件为“/etc/exports”，文件内容默认为空(无任何共享)。在exports文件中设置共享资源时，记录格式为“目录文件” 客户机地址(权限选项)。

[root@localhost /]#vim /etc/exports
/var/www/html    192.168.7.0/24（rw,sync,no_root_squash）

其中客户机地址可以是主机名，IP地址，网段地址，允许使用*，？等通配符；权限选项中rw表示读写，sync表示同步写入，no_root_squash表示客户机以root身份登录时将root权限作为nfsnobody用户降权对待。

当需要将同一个目录共享给不同的客户机，且分配不同的权限时，只需要分隔指定多个“客户机(权限选项)”即可。

[root@localhost /]#vim /etc/exports
/var/www/html 192.168.7.1(ro) 192.168.7.10(rw)

3）启动NFS共享服务程序

[root@localhost /]#service rpcbind start
[root@localhost /]#service nfs start
[root@localhost /]#netstat -anpt | grep rpcbind

4）查看本机发布的NFS共享目录

[root@localhost /]#showmount -e

2、在客户机上访问NFS共享资源

NFS协议的目标是提供一种网络文件系统，因此对NFS共享的访问方式也使用mount命令来进行挂载，对应的文件系统内型为NFS。

1）安装rpcbind软件包，并启用rpcbind服务

若要正常访问NFS共享资源，客户机中也需要安装rpcbind软件包，并启用rpcbind系统服务；另外，为了是showmount查询工具，建议将nfs-utils软件包也一起装上。

[root@localhost /]#yum -y install rpcbind nfs-utils
[root@localhost /]#chkconfig rpcbind on
[root@localhost /]#service rpcbind start

2）手动挂载NFS目录

[root@localhost /]#mount 192.168.7.250:/var/www/html /var/www/html

完成挂载以后，只要访问客户机的“/var/www/html”文件夹，实际上就相当于访问NFS服务器上的“/var/www/html”文件夹。

3）fstab自动挂载设置

修改“/etc/fstab”配置文件，加入NFS共享目录的挂载设置，注意文件系统类型设为nfs，挂载参数建议添加netdev；若添加soft，intr参数可以实现软挂载，允许在网络中断时放弃挂载。这样客户机就可以在每次开机后自动挂载NFS共享资源了。

[root@localhost /]#vim /etc/fstab
......//省略部分内容
192.168.7.250:/var/www/html  nfs  /var/www/html  defaults,_netdev  0 0

四、构建LVS负载均衡群集实例

1、案例1：构建NAT模式的负载均衡群集

在NAT模式的群集中，LVS负载调度器是所有节点访问Internet的网关服务器，其外网地址172.16.16.172同时也作为整个群集的VIP地址。LVS调度器具有两块网卡，分别连接内外网络。拓扑图如下：

对于LVS负载调度器来说，需要使用iptables为出站配置SNAT转发规则，以便节点服务器能够访问Internet。所有的节点服务器，共享存储均位于私有网络内，其默认网关设为LVS负载调度器的内外地址(192.168.7.254).

1）配置SNAT转发规则

[root@localhost /]#vim /etc/sysctl.conf
......//省略部分内容
net.ipv4.ip_forward = 1
[root@localhost /]#sysctl -p
[root@localhost /]#iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.7.0/24 -o eth0 -j SNAT --to-source 172.16.16.172

2）配置负载分配策略

[root@localhost /]#service ipvsadm stop     //清楚原有策略
[root@localhost /]#ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s rr
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.21:80 -m -w 1
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.22:80 -m -w 1
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.23:80 -m -w 1
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.24:80 -m -w 1
[root@localhost /]#service ipvsadm save     //保存策略
[root@localhost /]#chkconfig ipvsadm on

3）配置节点服务器

所有节点服务器均使用相同的配置，包括httpd服务端口 ，网站文档内容。实际上各节点的网站文档可存放在共享存储设备上，从而免去同步过程。

[root@localhost /]#yum -y install httpd
[root@localhost /]#mount 192.168.7.250:/var/www/html /var/www/html
[root@localhost /]#vim /var/www/html/index.html
<h1>负载均衡测试网页！！！</h1>
[root@localhost /]#service httpd start
[root@localhost /]#chkcofnig httpd on

4）测试LVS群集

安排多台测试机，从Internet中直接访问http://172.16.16.172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也可能不以样。可以使用ipvsadm工具查看当前连接负载的情况。(在调度器上进行查询)

[root@localhost /]#ipvsadm -Ln

2、案例2：构建DR模式的负载均衡群集

在DR模式的群集中，LVS负载调度器作为群集的访问入口，但不作为网关使用；服务器池中的所有节点都各自接入Internet，发送给客户机的WEB响应数据包不需要经过LVS负载调度器。

这种方式入站，出站访问数据被分别处理，因此LVS负载调度器和所有的节点服务器都需要配置有VIP地址，以便响应对整个群集的访问。考虑到数据存储的安全性，共享存储设备会放在内部的专用网络中。

1）配置调度器的虚拟IP地址(VIP)

采用虚接口的方式(eth0:0)，为网卡eth0绑定VIP地址，以便响应群集访问。配置结果为eht0 172.16.16.173/24,eth0:0 172.16.16.172/24

[root@localhost /]#cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@localhost network-scripts]#cp ifcfg-eth0 ifcfg-eth0:0
[root@localhost network-scripts]#vim ifcfg-eth0;0
......//省略部分内容
DEVICE=eht0:0
ONBOOT=yes
IPADDR=172.16.16.172
NETMASK=255.255.255.0
[root@localhost network-scripts]#service network restart

2）调整/proc响应参数

对于DR群集模式来说，由于LVS负载调度器和各节点需要公用VIP地址，为了避免网络内的ARP解析出现异常，应关闭Linux内核的重定向参数响应。

[root@localhost /]#vim /etc/sysctl.conf
......//省略部分内容
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.eth0.send_redirects = 0
[root@localhost /]#sysctl -p

3）配置负载分配策略

[root@localhost /]#service ipvsadm stop
[root@localhost /]#ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s rr
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 172.16.16.177:80 -g -w 1
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 172.16.16.178:80 -g -w 1
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 172.16.16.179:80 -g -w 1
[root@localhost /]#ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 172.16.16.180:80 -g -w 1
[root@localhost /]#service ipvsadm save
[root@localhost /]#chkconfig ipvsadm on

4）配置节点服务器的虚拟IP地址(VIP)

在每个节点服务器，同样需要具有VIP地址172.16.16.172，但此地址仅用作发送WEB响应数据包的源地址，并不需要监听客户机的访问请求(访问请求有调度器监听)。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絮乱。

[root@localhost /]#cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@localhost network-scripts]#cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0
[root@localhost network-scripts]#vim ifcfg-lo:0
......//省略部分内容
DEVICE=lo:0
ONBOOT=yes
IPADDR=172.16.16.172
NETMASK=255.255.255.255
[root@localhost network-scripts]#service network restart
[root@localhost network-scripts]#vim /etc/rc.local
......//省略部分内容
/sbin/route add -host 172.16.16.172 dev lo:0
[root@localhost network-scripts]#route add -host 172.16.16.172 dev lo:0

5）调整/proc响应参数

[root@localhost /]#vim /etc/sysctl.conf
......//省略部分内容
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipve.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 1
net.ipve.conf.default.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipve.conf.lo.arp_announce = 2
[root@localhost /]#sysctl -p

6）配置节点服务器

[root@localhost /]#yum -y install httpd
[root@localhost /]#mount 192.168.7.250:/var/www/html /var/www/html
[root@localhost /]#vim /var/www/html/index.html
<h1>负载均衡测试网页！！！</h1>
[root@localhost /]#service httpd start
[root@localhost /]#chkcofnig httpd on

7）测试LVS群集

安排多台测试机，从Internet中直接访问http://172.16.16.172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也可能不以样。可以使用ipvsadm工具查看当前连接负载的情况。(在调度器上进行查询)

[root@localhost /]#ipvsadm -Ln