LVS负载均衡集群服务搭建详解

一、LVS概述

 1.LVS：Linux Virtual Server

         四层交换(路由)：根据请求报文的目标IP和目标PORT将其转发至后端主机集群中的某台服务器（根据调度算法）；

                                           不能够实现应用层的负载均衡

          lvs(又称ipvs)，基于内核中的防火墙netfilter实现

  2.lvs集群术语：

vs：Virtual  Server	虚拟服务，可称为Director、Dispatcher分发器、Balancer负载均衡器
rs：Real  Server	真实服务器
CIP：Client  IP	客户端IP
VIP：Director  Virtual IP	等同于FIP(流动IP)，负载均衡器虚拟IP
DIP：Director  IP	调度IP(第二张网卡IP地址)
RIP：Real  Server IP	真实服务器IP

 3.LVS：ipvsadm/ipvs

     (1)ipvsadm: CLI工具

              用户空间的命令行工具，用于管理集群服务及集群服务上的RS等；# yum install -y ipvsadm

     (2)ipvs：内核存在(CentOS默认支持)

               工作于内核上的netfilterINPUT钩子之上的程序代码；其集群功能依赖于ipvsadm定义的集群服务器规则；

               支持基于TCP、UDP、SCTP、AH、EST、AH_EST等协议的众多服务；

 

  4.负载均衡集群中设计时的要点：

      (1)session保持

     session sticky (iphash)：IP地址绑定，来源IP记录在ip hash表作统一调度

     session cluster(multicast/broadcast/unicast)：广播集群同步(复制)session，只适用于小规模场景

     session server ()：session服务器

       (2)数据共享(提供一致性存储)

     1) 共享存储；

  NAS：Network Attached Storage (文件级别)，网络附加存储，文件服务器

  SAN：Storage Area Network (块级别)，存储区域网络

  DS：Distributed Storage，分布式春初

      2) 数据同步：rsync … ...

 

 

 

二、LVS模型

 1.lvs-nat：地址伪装模型

        多目标的DNAT：通过将请求报文的目标地址和目标端口修改为挑选出某RS的RIP和PORT来实现；

        客户端主机发起请求报文CIP指向VIP，通过内核的核心网卡间转发功能，VIP会将请求交给DIP进行调度，DIP根据设定的算法进行负载均衡给后端的RS主机的RIP，在这个过程中DIP调度功能会将目标IP地址重写为RIP。请求和返回请求读要调度DIP来进行转换操作。

    (1)RIP和DIP应该使用私网地址，RS的网状应该指向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(响应报文大)；

    (3) 支持端口映射(转发)；

    (4) VS必须为Linux，RS可以为任意操作系统；

    (5)RS的RIP与Director的DIP必须在同一IP网络；

 

 

 2.lvs-dr(direct routing直接路由)：网关模型

        通过修改请求报文的MAC地址进行转发；IP首部不会发生变化(源IP为CIP，目标IP始终为VIP)

    客户端发起请求，经过层层路由到达离VS服务器最近的交换机，通过交换机转发给VS服务器，由VS服务器负载均衡转发请求给RS服务器。在此过程中VIP修改MAC地址调度请求给真实主机。在此过程中通过ARP协议在一个局域网中广播寻找真实主机的MAC地址。每个RS真实主机的网卡会一个别名地址VIP，实现全过程源地址为CIP，目标地址为VIP不变。调度基于寻找MAC。网关模型中的所有主机均要能与外网通信。这样RS主机就能够直接响应客户机。

    (1)确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文一定会发送给Director；

解决方案：

    1)静态绑定；

    2)禁止RS响应VIP的ARP请求；

a) arptables上定义；

b) 修改各RS的内核参数，并把VIP配置在特定的接口上实现禁止其响应；

    (2)RS的RIP可以使用私有地址，也可以使用公网地址；

RIP使用私有地址可以通过在之前加一个路由器的方式和外网通信，直接响应客户机

    (3)RS跟Director必须在同一物理网络中；

    (4)请求报文必须由Director调度，但响应报文必须不能经由Director；

    (5) 不支持端口映射；

    (6) 各RS可以使用大多数的操作系统；

 

 3.lvs-tun(ip tunneling)：IP隧道模型

         转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而是在原有的IP首部这外再次封装一个IP首部（源IP为DIP，目标IP为RIP）；

    (1)RIP，DIP，VIP全得是公网地址；

    (2)RS的网关不能也不可能指向DIP；

    (3)请求报文经由Director调度，但响应报文将直接发给CIP；

    (4) 不支持端口映射；

    (5)RS的OS必须支持IP隧道功能；

 

 4.lvs-fullnat：完整模型(同时改变请求报文的源IP和目标IP)

         通过同时修改请求报文的源IP地址（cip-->dip）和目标IP地址（vip--> rip）实现转发；

      注意：前三种为标准类型，第四种为后添加类型，内核默认可能不支持，需自编译内核

    (1)VIP是公网地址；RIP和DIP是私网地址，且可以不在同一IP网络中，但需要通过路由互相通信；

    (2)RS收到的请求报文的源IP为DIP，因此其响应报文将发送给DIP；

    (3)请求报文和响应报文都必须经由director；

    (4) 支持端口映射；

    (5) RS可使用任意OS；

 

 

 

 

三、LVS scheduler调度算法

  1.静态方法：仅根据算法本身进行调度

      (1)RR ：round robin，轮询机制，依次分配请求，方式简单但时负载均衡的效果一般

      (2)WRR ：weighted rr，加权轮询，权重越大承担负载越大

      (3)SH ：source ip hash，源地址哈希，将来自同一个ip请求通过记录在ip hsash表中绑定在同一个服务器，实现session保持

                   缺点：调度粒度大，对负载均衡效果差；session黏性不同，连接时长保持不同

      (4)DH ：desination ip hash，目标地址哈希。能实现连接追踪，但不考虑负载均衡效果

正向web代理，负载均衡内网用户对互联网的请求；

Client--> Director --> Web Cache Server(正向代理)

 

  2.动态方法：根据算法及各RS当前的负载状态进行评估

Overhead	负载值，VS转发时记录每个RS的Active和Inactive数量(甚至权重)进行算法计算
Active	活动链接值，当发起新请求后保持在ESTABLISHED状态时，仍有请求响应
Inactive	非活动链接值，在ESTABLISHED状态时，尚未断开保持空闲等待状态

   (1)LC：least connection，最少连接

            Overhead=Active*256+Inactive

              后端的RS谁的连接少就分发请求至那台RS，若overhead一样则自上而下轮询列表中的RS

   (2)WLC：weighted least connection，加权最小连接

              Overhead=(Active*256+Inactive)/weight，计算结果小的将为选中的下一跳RS服务器

             缺点：当Overhead一样时，自上而下轮询响应，权重小的若在列表上方则其会响应

   (3)SED：Shortest Expection Delay，最短期望延迟

               Overhead=(Active+1)*256/weight

              缺点：解决WLC问题，但时无法确保权重小的主机一定响应

   (4)NQ：never Queue，永不排队，SED算法改进

            RS权重大小排列，每台RS服务器先分配一个请求，其余的按照权重大小计算分配

   (5)LBLC：Locality-Based LC，基于本地的最少连接，动态的 DH连接算法

   (6)LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC

 

 

 

四、ipvsadm命令

  1.管理集群服务：

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

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

   -A：添加、-E：修改、-D：删除

service-address	服务地址和 -t|u|f 结合使用，具体格式如下
-t, tcp, vip:port	TCP的ip和port
-u, udp, vip:port	UDP的ip和port
-f, fwm, MARK	防火墙标记

   -s scheduler：默认为WLC调度算法，可省；

  -p [timeout] :超出时长，持久连接相关，默认时长为300秒

  2.管理集群服务上的RS：

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

ipvsadm -d -t|u|f service-address -rserver-address

-a：添加一个RS、-e：修改一个RS、-d：删除一个RS

server-address指的是rip[:port]，端口可省表示与之前的service-address相同，只有nat模式支持端口映射才会使用

[-g|i|m]

   -g：GATEWAY （默认），lvs-dr模型

   -i: IPIP， lvs-tun隧道模型

   -m: MASQUERADE，lvs-nat模型

  3.查看

          ipvsadm -L|l[options]

-n：numeric，数字格式显示地址和端口；

-c：connection，显示ipvs连接；

--stats：显示统计数据；

--rate：速率

--exact：精确值,不经过单位换算的数值

  4.清空规则：

ipvsadm  -C

  5.数器清零：

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

  6.保存和重载：

保存：

ipvsadm-S  > /PATH/TO/SOME_RULE_FILE

ipvsadm-save  > /PATH/TO/SOME_RULE_FILE

重载：

ipvsadm  -R < /PATH/FROM/SOME_RULE_FILE

ipvsadm-restore< /PATH/FROM/SOME_RULE_FILE

         注意：需要结合重定向一起使用，从自定义的规则文件中导入导出

附录（ipvsadm -h）：

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

[-p[timeout]] [-M netmask] [-b sched-flags]

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

ipvsadm-C

ipvsadm-R

ipvsadm-S [-n]

ipvsadm-a|e -t|u|f service-address -r server-address

[-g|i|m][-w weight] [-x upper] [-y lower]

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

ipvsadm-L|l [options]

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

ipvsadm--set tcp tcpfin udp

ipvsadm-h

五、lvs-nat模型构建

 1.lvs-nat模型示意图

          本次构建的lvs-nat模型的示意图如下，其中所有的服务器和测试客户端均使用VMware虚拟机模拟，所使用的CentOS 7

          VS内核都支持ipvs功能，且安装ipvsadm控制书写lvs规则工具。

          RS端两台服务器为httpd服务器做请求的负载均衡。

     注意;

1) 客户端可以使用Windows上的浏览器，会后缓存影响结果，所以采用CentOS上的curl命令请求http协议显示更加直观

2) DIP上不能配置iptables规则

 

2.VS网卡配置

   (1)增加网卡

         在"虚拟机设置"中增加一个网络适配器设备，并将其自定义特定网络为VMnet2模式，此处为了模拟负载均衡服务器的两张网卡处于不同网段

   (2)配置VS两张网卡的IP地址

            [root@localhost ~]# nmtui      # CentOS 7 文本图形界面配置网卡命令

[root@localhost ~]# systemctl start network.service

注意：

      网络适配器1(172.16.249.57)模拟为外网网卡，网络适配器2(192.168.100.1)模拟为内网，且该网卡的Ip地址要和RS服务器得ip在同一网段，DIP作为RIP的网络调度(网关)，无需配置GATEWAY

       [root@localhost~]# ifconfig

 

 3.RS网卡配置

          此处使用两台CentOS 7虚拟机作为负载均衡后端真实响应主机，安装RPM包格式httpd服务，并启动服务。nmtui命令配置网卡信息，RS1的IP:192.168.100.2，RS2的IP:192.168.100.3，RIP和DIP在同一网段，虚拟机网卡和DIP同时匹配值为VMnet2模式，且两台RS服务器主机网关指向DIP：192.168.100.1

           [root@localhost~]# yum install -y httpd

[root@localhost ~]# systemctl start httpd.service

注意：安装完成后在各httpd服务器上配置测试页面，/var/www/html/index.html.

[root@localhost ~]# nmtui       # 配置方法同上，此处省略

… ...

[root@localhost ~]# systemctl start network.service

[root@localhost~]# ifconfig

 

  4.测试所有主机是否能够通信

          用ping命令测试各节点的通信，例如RIP1和VIP、DIP、RIP2之间是否能够通信

[root@localhost ~]# ping  IPADDR

 

 5.VS主机：核心转发和安装ipvsadm

       (1)安装ipvsadm组件：[root@localhost ~]# yum install -y ipvsadm

       (2)启动网卡间核心转发功能：[root@localhost ~]# sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

      [root@localhost~]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

 

  6.VS主机：定义配置lvs-nat服务(此处采用rr算法)

      (1)定义ipvsadm负载均衡集群规则，并查看

             此处定义DIP是以-s指定为rr算法进行轮询调度，-m指定模式为lvs-nat，配置命令如下：

    [root@localhost~]# ipvsadm -A -t 172.16.249.57:80 -s rr

    [root@localhost~]# ipvsadm -a -t 172.16.249.57:80 -r 192.168.100.2:80 -m 

    [root@localhost~]# ipvsadm -a -t 172.16.249.57:80 -r 192.168.100.3:80 -m 

    [root@localhost~]# ipvsadm -L -n

      (2)Client客户机测试

            在客户端主机上使用curl命令对VIP发起请求，负载均衡服务器会将请求按照rr算法依次将请求调度给不同的主机进行处理，依次请求给分发给192.168.100.2和192.168.100.3主机响应。

[root@localhost~]# curl http://172.16.249.57

 

   7.VS主机：定义配置lvs-nat服务(此处采用wrr算法)

      (1)定义ipvsadm负载均衡集群规则，并查看

              此处将在上面lvs-nat的rr的基础上进行修改，改成wrr加权轮询算法；将192.168.100.2的权重设置为1,192.168.100.3的权重设置为3。

[root@localhost~]# ipvsadm -E -t 172.16.249.57:80 -s wrr

[root@localhost~]# ipvsadm -e -t 172.16.249.57:80 -r 192.168.100.2 -w 1 -m

[root@localhost~]# ipvsadm -e -t 172.16.249.57:80 -r 192.168.100.3 -w 1 -m

[root@localhost~]# ipvsadm -L -n

      (2)Client客户机测试

                在客户端主机用curl发起请求，负载均衡主机VS会将其按照权重大小转发给各个主机，四个请求有三个发给了192.168.100.3请求响应，一个发给了192.168.100.2主机处理。并以此算法做轮询负载请求

[root@localhost~]# curl http://172.16.249.57

 

 

 

 

六、lvs-dr模型构建

 1.lvs-dr模型示意图

         三台主机为虚拟机CentOS 7，每台主机仅有一块网卡，且使用桥接方式都指向外部网络的网关172.16.100.1

  2.配置VS和RS服务器的VIP

       此处的VIP均已别名的形式配置在往卡上，VS是配置在对外通信的DIP的网卡上；RS配置在lo本地回环网卡

   注意：此时配置的VIP的子网掩码必须为255.255.255.255，广播地址为自己本身

           VS：[root@localhost~]# ifconfig eno16777736:0 172.16.50.50 netmask 255.255.255.255 broadcast172.16.50.50 up

           RS：[root@localhost~]# ifconfig lo:0 172.16.50.50 netmask 255.255.255.255broadcast 172.16.50.50 up

 

 3.RS服务器上配置路由

          [root@localhost~]# route add -host 172.16.50.50 dev lo:0

 

 4.RS服务器配置APR内核参数修改

      [root@localhost~]# ll /proc/sys/net/ipv4/conf

    (1)ARP响应行为和ARP解析行为内核参数：

         1)arp_annouce定义通告级别

   0：默认级别，将本地的任何接口上的配置的地址都在网络中通告

   1：尽量避免向本主机上的其他网卡进行网络通信，特殊情况下其他接口也可以

   2：总是使用最佳网络地址接口(仅使用定义的网卡接口在同网络通信)

         2)arp_ignore定义响应级别(0-8九个级别)，响应时忽略方式

   0：都全都响应

   1：只对从本接口进入的请求响应，且本接口地址是个网络地址

    … …

 注释：一般使用arp_annouce=2，arp_ignore=1

    (2)配置各RS主机参数

             注意：all必须配置、eno16777736(本地)和lo两个可以同时全部配置或者配置其中一个

     RealServer内核参数：

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

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

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

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

注意：INTERFACE为你的物理接口；此处网卡接口指的是eno16777736和lo

 

 5.VS主机：定义配置lvs-dr模式(此处采用rr算法)

   (1)配置查看

[root@localhost~]# ipvsadm -A -t 172.16.50.50:80 -s rr

[root@localhost~]# ipvsadm -a -t 172.16.50.50:80 -r 172.16.200.10 -g

[root@localhost~]# ipvsadm -a -t 172.16.50.50:80 -r 172.16.200.11 -g

[root@localhost~]# ipvsadm -L -n

   (2)测试

         [root@localhost~]# curl http://172.16.50.50

             因为基于rr算法调度，依次分发给RS主机

 

 

 

 

七、通过防火墙标记来定义lvs

 1.FWM防火墙标记功能

         防火墙标记可以实现多个集群服务绑定为同一个，实现统一调度；将共享一组RS的集群服务统一进行定义

         FWM基于iptables的mangle表实现防护墙标记功能，定义标记做策略路由

   2.FWM定义集群的方式

(1)在director上netfilter的mangle表的PREROUTING定义用于"打标"的规则

~]#iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $protocol --dport $port -j MARK--set-mark #

$vip:VIP地址

$protocol：协议

$port:协议端口

(2)基于FWM定义集群服务：

~]#ipvsadm -A -f # -s scheduler

  3.实例演示

[root@localhost~]# iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.50.50 -p tcp --dport 80 -j MARK--set-mark 5

[root@localhost~]# ipvsadm -A -f 5 -s rr

[root@localhost~]# ipvsadm -a -f 5 -r 172.16.200.10 -g

[root@localhost~]# ipvsadm -a -f 5 -r 172.16.200.11 -g

 

 

 

 

八、LVS持久连接功能：lvs persistence

 1.lvs persistence功能

        无论ipvs使用何种scheduler，其都能够实现在指定时间范围内始终将来自同一个ip地址的请求发往同一个RS；实现方式和lvs调度的十种算法无关，通过lvs持久连接模板(hash表)实现，当超过自定义的可持节连接时长候再根据LVS算法本身进行调度。

        ipvsadm命令中-p选项实现，在-p后不指定具体数字(单位:秒)，默认为300，到时候会自动延长2分钟，对于web本身就是15秒

 

  2.模式

   (1)每端口持久(PPC)

            客户端对同一服务端口发起请求，会基于该服务的端口实现请求在一段时间内对同一RS服务器持久连接；

         例如：有两台主机做为RS服务器做http和hssh的两种服务的集群，仅http做每端口持久，Client请求会实现绑定在，但是22号端口请求不会绑定在同一台RS

   (2)每客户端持久(PCC)：定义tcp或udp协议的0号端口为集群服务端口

              director会将用户的任何请求都识别为集群服务，并向RS进行调度；同一客户端的请求任何端口都发往同一台第一次选定的RS服务器

   (3)每防火墙标记持久(PFWMC)

           将两个或两个以上服务通过防火墙打标绑定在一起，这些服务的请求实现同时定向与同一台RS服务器，服务绑定同一RS

   实例：

      lvs-dr模式下以rr算法绑定http和https服务

~]#iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.100.9 -p tcp --dport 80 -j MARK--set-mark 99

~]#iptables -t mangle -A PREROUTING -d 172.16.100.9 -p tcp --dport 443 -j MARK--set-mark 99

~]#ipvsadm -A -f 99 -s rr -p

~]#ipvsadm -a -f 99 -r 172.16.100.68 -g

~]#ipvsadm -a -f 99 -r 172.16.100.69 -g

     

附录：LVS-DR类型RS脚本示例

#!/bin/bash

#

vip=172.16.50.50

interface="lo:0"

case$1 in

start)

echo1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

echo2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

ifconfig$interface $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up

routeadd -host $vip dev $interface

;;

stop)

echo0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

echo0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

ifconfig$interface down

;;

status)

ififconfig lo:0 |grep $vip &> /dev/null; then

echo"ipvs is running."

else

echo"ipvs is stopped."

fi

;;

*)

echo"Usage: `basename $0` {start|stop|status}"

exit1

esac

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