Lvs 理论知识和实践

    LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。本项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。

      LVS集群采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且调度器自动屏蔽掉服务器的故障，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。整个服务器集群的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。为此，在设计时需要考虑系统的透明性、可伸缩性、高可用性和易管理性。

   

1，Cluster 理论

  1.1，  系统拓展的方式：

         scale up：向上发展；

         scale  out：向外发展；

  1.2，集群类型：

          LB:负载均衡集群 -->将一个系统上所面临的诸多负载load Banlancing另外一个主机上；

              硬件： F5 Big-ip

                            Citrix Netscaler

                            A10 A10

              软件：  Lvs（大型网站）除了负载均衡没有其他的健康检测状态；

                            haproxy， nginx (居多)，httpd(proxy模块) ，varnish

                            ats （apache traffic server）发展需要；

                             perlbal

               基于工作协议层划分：

                             传输层： Lvs，haproxy(模拟出TCP层可调度mode tcp)；

                              应用层：haproxy(个别协议)，nginx，ats，perlbal

          HA:高可用集群，high availability

          HP:高性能集群，high performancing

                分布式存储及并行处理集群，

          

   1.3，  系统：

              可扩展性；

              可用性；

              容量；例如高速公路，可以跑多少汽车；             单位时间内完成的总量；

              性能；例如车速，单位时间内通过的汽车数量；响应时间；

              

注意，系统运维：可用性-->做好标准化-->自动化运维 (稳定性高于一切)；

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  2，构建高可用扩展性系统的重要原则，在系统内部尽量避免穿行和交互；

        GSLB: Global serviceload balancing  全局负载均衡

               SLB：service load balancing   服务负载平衡

 

         分层：      负载均衡层        静态内容层           数据存储层

                                                         动态内容层

 

         分割：功能上分割，把不同的请求分布到不同的server；

         分布式：

                分布式应用；

                分布式静态资源；

                分布式数据和存储；

                分布式计算；

2.1，四层交换，四层路由

              根据请求报文的目标IP和port将其转发至后端主机集群中的某一台主机(根据负载均衡算法)；

              netfilter：

                  入站： prerouting------>input；

                  转发:prerouting---> forward--->postrouting；

                  出站：output---->postrouting；

 

    2.2，Lvs ：

                  ipvsadm (写规则)/ipvs(定义规则) 工作在netfilter的内核中；

                  ipvsadm：用户空间的命令行工具，用于管理集群服务；

                  ipvs：工作在内核中netfilter INPUT 钩子协议上；

                  支持TCP、UDP、AH、EST、AH_EST、SCTP等协议；

    2.3，Centos 7 查看调度模块信息；

            # grep -i -A 10 'IPVS'/boot/config-3.10.0-229.el7.x86_64

           

    2.4，Lvs arch ：

                 调度器：director(导演)、dispatcher(调度员)、

                  RS：Real server，

                  client IP：cip

                  directorvirutal ip：vip

                  director ip：dip

                  real serverip：rip

    2.5，Lvs type：

                A,   Lvs-nat：基于Dnat模式                  masquerade(地址伪装)类型

                B,    Lvs-dr：直接路由directrouting，gateway类型

                C,    Lvs-tun：ip隧道 ip tunneling          IPIP 隧道类型

                D,    Lvs-fullnat：非标准类型                 请求报文转发时修改源、目标地址

  

               A,    Lvs-nat：

                            多目标的DNAT（iptables）；

                             通过修改请求报文的目标IP地址和端口，完成端口映射，至挑选出某RS的RIP地址实现转发；

                            （1） RS应该和DIP使用私网地址，且RS的网关需要指向DIP;

                            （2）请求和响应报文都要经由director转发；极高负载的场景中，director可能会成为系统瓶颈；

                            （3）RS 可以使用任意OS，支持端口映射；

                            （4）RS的RIP和director的DIP必须在同一IP网络；

                              如图1.1所示：

  B,    Lvs-dr:direct routing

                              通过修改请求报文的目标mac地址进行转发；      

                                       director：VIP ，DIP

                                       RSs：RIP,VIP

                            （1）必须保证前段路由器将目标IP为VIP的请求报文发送给director；

                                       解决方案：

                                           静态绑定；director MAC地址绑定

                                          arptables；在每个real server 启用arptables，

                                           修改RS主机内核参数(linux 主机)；

                             （2）RS的RIP可以使用私有地址，但也可以使用公网地址；

                             （3）RS根director必须在同一物理网络；

                             （4）请求报文经由director调度，但响应报文不一定能经由director（由RS直接转发）；

                             （5）不支持端口映射

                             （6）RS可以大多数OS；

                             （7）RS的网关不能指向DIP；

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3，Lvs -type

              Lvs-nat：RIP与DIP必须在同一网段；

              Lvs-dir: director与RS必须在同一网段；

              Lvs-tun：

                     不修改请求报文的IP首部，而是通过原有的IP首部之外，在封装一个IP首部；

                           

                     （1）RIP、DIP、VIP都是公网地址；

                     （2）RS网关不能指向DIP，

                     （3）请求报文经由director调度，响应报文必须不经由director；

                     （4）不支持端口映射，RS的OS必须支持隧道功能；

    

               Lvs-fullnat:可以跨机房设置

                        请求报文到达时，director同时修改报文的源地址和目标地址；

                        

                     （1）VIP是公网地址，DIP和RIP可以不在同一网段；

                     （2）RS接收到的请求报文源地址为DIP，因此要响应给DIP；

                     （3）请求报文和响应报文必须经由director；

                     （4）支持端口映射，RS的OS可以使用任意OS；

 

 

   4,http：stateless

             追踪每一客户端，需要给每一个客户端发放一个cookie；

               session保持：将来自于同一个用户的请求，调用到同一个RS；

               session绑定：请求报文插入cookie， (nginx可以,lvs不可以

               session集群；session主从机制会浪费内存、cpu等消耗；

               session服务器；共享存储服务器，KV机制存储；

 

    5，Lvs scheduler：

             静态方法：仅根据算法本身进行调度，不考虑负载状态；  起点公平 

                  RR: roundrobin ，轮询

                  WRR：weighted rr ，加权

                  SH：source hash 源地址hash 实现session保持；损害负载均衡的效果；

                       将来自同一个IP的请求始终调度至同一RS；反向代理

                  DH：destination hash，目标地址hash，不管来自哪一个的请求，请求同一个目标时，

                        都会调度至同一个RS，   正向代理

 

             动态方法：根据算法及各RS的当前负载状态进行调度；sh

                 LC：least connection 最少连接数；

                   overhead=active(活跃的链接数量)*256+inactive(不活跃的连接数)

                  WLC：weighted least connection 加权最少连接；

                     overhead=（active(活跃的)*256+inactive(不活跃的)）/weight 服务器权重           

                  SED：最短期望延迟 shortest expection delay

                     overhead=（active+1）*256/weight

                 NQ：never queue

                                        SED算法改进

                  LBLC：locality-based lc，动态DH算法，实现正向代理时；

                  LBLCR：带复制的的LBLC

               权重大的响应请求，分配延迟

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静态

局部性：空间 + 时间

制作缓存时，基于内存的缓存方式

 

动态内容：时间 + 特定

制作缓存时，根据用户时长判断；

 

 

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6，Lvs的集群服务：  TCP、UDP、ah、esp

         

       （1）一个ipvs主机可以同时定义多个clusterserver；

                            根据  tcp，udp

        （2）一个cluster server上至少有一个real server；

                            定义时：指明lvs-type 以及lvs scheduler（程序机）；

 

7，ipvsadm的用法：

        A,      管理集群服务；

                  ipvsadm-A|E -t|u|f service-address [-s scheduler]

                            增加和修改

                  ipvsadm-D -t|u|f service-address

                                 删除

                  ipvsadm-C    删除

                  ipvsadm -L | l [options]

                 service-address：

                              tcp:-t ip:port

                               udp:-u ip:port

                              fwm:-f mark 数字防火墙标记；

                          -sscheculer:  默认为wlc 非活动链接数量

                                

 

          B,      管理集群服务中的RS；

                         ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -rserver-address [-g|i|m] [-wweight]

                         ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address

                         

                        server-address；

                                 ip [:port] 支持端口映射；大多数端口可省略；

                         Lvs-type：

                                   -g:gateway,dr

                                  -i:ipip  ，   tun

                                  -m:masquerade,nat   nat模型

 

          C,       清空和查看：

                            ipvsadm -C

                            ipvsadm -L | l[options]

                               -n:numberic 基于数字格式显示地址和端口；

                               -c:connection 显示ipvs连接数；

                               --stats:统计数据；pkts：总包数

                               --rate：速率；       pps 每秒的包个数

                               --exact：精确值；

                               --sort：排序；

            D,     保存和重载：

                            ipvsadm -R          重载

                            ipvsadm -S [-n]   保存

             E,      置零计数器：

                              ipvsadm -Z[-t|u|f service-address]

                              

 

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二，实操部分

Lvs-nat

1，DIP 设置：director准备两个网口，一个是网桥，一个是虚拟网卡2；

     # cd /etc/sysconfig/network-scripts/

     # vimifcfg-eno16777736

     #ifconfig -a

查看eno16777736地址

设置另外一个端口vmnet2：

       # cpifcfg-eno16777736 ifcfg-eno33554984

       # vim ifcfg-eno33554984  删除UUID更改NAME、DEVICE参数；

      #ifconfig -a 查看eno33554984端口IP

2，接下来我们配置另外两台web机器：

      分别配置两台web服务器的IP地址，和web服务；

      然后在director上面测试两个页面；并关闭iptables防护墙；

      #curl http://192.168.20.7

      #curl http://192.168.20.8

      #iptables -F

     在director上转发功能打开

      # cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

      # vim /etc/sysctl.conf编辑添加"net.ipv4.ip_forword = 1"

3，现在在director上面设置规则：

     # ipvsadm -A -t 172.16.100.117:80 -s rr

     # ipvsadm -a -t 172.16.100.117:80 -r192.168.20.7 -m

     # ipvsadm -a -t 172.16.100.117:80 -r192.168.20.8 -m

 

 4，保存配置永久有效：

    ]# ipvsadm -S > /etc/sysconfig/ipvsadm

5，如果不小心删除规则，可以及时修复；

6，重读配置文件，并修复；

      # ipvsadm -R < /etc/sysconfig/ipvsadm

  7，开始验证Lvs-nat 效果：

   http://172.16.100.117来查看；

8，使用"-E"选项修改调度器：

    #ipvsadm -E -t 172.16.100.117:80 -s sh

9，基于web修改RS端口映射；

  # ipvsadm -e -t172.16.100.117:80 -r 192.168.20.7:8080 -m

  # ipvsadm -e -t172.16.100.117:80 -r 192.168.20.8:8080 -m

或者修改 #vim/etc/sysconfig/ipvsadm 里的参数；然后重读信息。

这样web服务又恢复了正常；

10，删除一个real server；

    #ipvsadm -d -t 172.16.100.117:80 -r192.168.20.7:8080

          删除集群服务：

    #ipvsadm -D -t 172.16.100.117:80

           修复ipvsadm

    #ipvsadm -R < /etc/sysconfig/ipvsadm

11，Lvs-dr 内核参数配置  arp_ignore对请求是否响应  / arp_announce 接不接受请求通告

          arp_announce(通告)-INTEGER  请求

        0 默认，不保留通告

                 1   尽量不通告

                  2  只能、总是避免通告

     arp_announce = 1 尽量避免，

     arp_announce = 2 只能、总是避免，

     

     arp_ignore -INTEGER 响应

      0 -默认 通告全场

      1 -  仅通告报文请求的入口，

Lvs-dr实操图：

A，修改DIP

      配置director主机地址和回环地址：

      # ifconfigeno16777736:0 172.16.100.118/32 broadcast 172.16.100.118 up

      # route add -host 172.16.100.118 deveno16777736:0    限定接口-->目标地址响应

     

 B，配置real server   *参数配置--->配置VIP

      配置两台real server内核参数；

       # echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

       #   echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_ignore

       # echo 2 >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

       # echo 2 >/proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_announce

       # ifconfig lo:0 172.16.100.118/32broadcast 172.16.100.118 up添加回环Vip地址

       # route add -host 172.16.100.118 devlo:0  端口限定

 

  C，请求RIP地址验证；curl 命令；

  D，director上添加集群服务；

        #ipvsadm -C 删除之前的配置

# ipvsadm -A -t172.16.100.118:80 -s rr

 # ipvsadm -a-t 172.16.100.118:80 -r 172.16.100.21 -g

 # ipvsadm -a-t 172.16.100.118:80 -r 172.16.100.22 -g