用Linux下的LVS软件实现Linux集群

本文介绍了Linux下的cluster软件LVS，并举例介绍一个Linux下的cluster(集群)的安装和实现的详细过程。。
　　在各种网络服务普遍应用的今天，随网络速度的提高以及用户的增加，在一些繁忙的场合，单凭一台机器已经无法就能应付所有的网络请求了。为了解决这个问题，许多用户就采 用一组cluster(集群)来代替单一的机器。cluster可以将多台计算机连接起来协同运作以对外提供各种服务，比如Apache、FTP、Mail等。

　　在Linux上最常见的、也可能是运用最广泛的cluster方案就是LVS(Linux Virtual
Server)，很高兴LVS也是一个中国人创建和开发的开放源码项目。LVS自1998年开始，发展到现在已经是一个比较成熟的技术项目了。有许多比较著名网站和组织都在使用LVS架设的cluster，比如：www.linux.com、sourceforge.net、www.real.com等。

　　下面就开始介绍一下，笔者是如何利用LVS来架设一组cluster来对外提供Apache和FTP服务的。

　　安装操作系统

　　笔者选用的是Red Hat 9.0作为些cluster的director机器和所有real server机器的操作系统。RH的安装过程从略，笔者根据实际需要，只安装了少数的包。对于成批安装Linux，建议试试Kickstart来进入批理安装。

　　编译支持LVS的内核

　　LVS对Linux的kernel进行了修改和增加，所以要重新编译 linux kernel。我们先从http://www.linuxvirtualserver.org下载到LVS的内核补丁，对原有内核源代码进行更新，然后重新编译Linux的kernel。

　　下载LVS的内核补丁时要注意补丁版本要和kernel版本相一致，对于RH9.0，它的Linux核心版本是2.4.20，所以对应内核补丁应该是http://www.linuxvirtualserver.org/software/kernel-2.4/linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch.gz

　　另外还有一个补丁是用来解决某些情况下ARP协议不能正常工作问题的，从http://www.ssi.bg/~ja/hidden-2.4.20pre10-1.diff下载。

把上面下载的两个补丁复制到/usr/src目录下，然后执行以下命令：

　　cd /usr/src
　　gzip -cd linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch.gz
　　cd /usr/src/linux
　　patch -p1 ＜ ../linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch
　　patch -p1 ＜ ../hidden-2.4.20pre10-1.diff

　　make mrproper
　　make menuconfig

　　执行make menuconfig时，我们将进入一个图形化的界面，在其中可以对Linux Kernel进行详细设置。与LVS相关的kernel选项都在“Networking options”中，进入“Networking options”，可以查看到“IP: Virtual Server Configuration”选项，将其它所有的子选项都选上：

　　＜M＞ virtual server support (EXPERIMENTAL)
　　[*] IP virtual server debugging
　　(12) IPVS connection table size (the Nth power of 2)
　　--- IPVS scheduler
　　＜M＞ round-robin scheduling
　　＜M＞ weighted round-robin scheduling
　　＜M＞ least-connection scheduling scheduling
　　＜M＞ weighted least-connection scheduling
　　＜M＞ locality-based least-connection scheduling
　　＜M＞ locality-based least-connection with replication scheduling
　　＜M＞ destination hashing scheduling
　　＜M＞ source hashing scheduling
　　＜M＞ shortest expected delay scheduling
　　＜M＞ never queue scheduling
　　--- IPVS application helper
　　＜M＞ FTP protocol helper

　　另外，“Networking options”中的“IP: Netfilter Configuration"中的选项的所有子项，除了以下两项不要选之外，其它全可以选：

　　＜ ＞ ipchains (2.2-style) support
　　＜ ＞ ipfwadm (2.0-style) support

　　还有，“Networking options”中还有一些关于网络的选项，要注意按自己的需要去选择：

　　＜*＞ Packet socket
　　[ ] Packet socket: mmapped IO
　　＜*＞ Netlink device emulation
　　[*] Network packet filtering (replaces ipchains)
　　[*] Network packet filtering debugging
　　[*] Socket Filtering
　　＜*＞ Unix domain sockets
　　[*] TCP/IP networking
　　[*] IP: multicasting
　　[*] IP: advanced router
　　[*] IP: policy routing
　　[ ] IP: use netfilter MARK value as routing key
　　[ ] IP: fast network address translation
　　＜M＞ IP: tunneling

对于kernel的其它选项，你可以根据需要进行选择。kernel的配置是一项很需要经验、细心和耐心的工作，不当的配置可能会导致编译过程中出现错误或者是新的kernel不能驱动原有的设备等问题。

　　退出保存，然后继续执行以下命令：

　　make dep
　　make clean
　　make bzImage
　　make modules
　　make modules_install

　　以上各步可能需要一点时间，如果出错请重新检查你的kernel配置，如果没有出现任何错误就继续执行以下命令：

　　depmod -a
　　cp arch/i386/boot/bzImage /boot/vmlinuz-lvs
　　cp System.map /boot/System.map-lvs

　　cd /boot
　　rm System.map
　　ln -s System.map-lvs System.map

　　然后修改你的lilo.conf使用新的kernel启动，比如在lilo.conf中以增加下几行以增加关于新的支持LVS的kernel的启动项：

　　image=/boot/vmlinuz-lvs
　　label=lvs
　　read-only
　　root=/dev/sda1

　　注：如果使用Grub做启动引导程序的，请自行做对应的修改，以增加关于新的支持LVS的kernel的启动项。

　　重新启动Linux，选择lvs项进入Linux。

　　安装ipvsadm

　　如果正常启动了，就开始安装IP虚拟服务器软件ipvsadm。因为我们用的是RH，所以我们直接下载RPM包进行安装。RPM包从以下地址下载：
　　http://www.linuxvirtualserver.org/software/kernel-2.4/ipvsadm-1.21-7.src.rpm

　　用以下命令来安装ipvsadm:

　　rpmbuild --rebuild ipvsadm-1.21-7.src.rpm
　　rpm -ivh /usr/src/redhat/RPMS/i386/ipvsadm-1.21-7.i386.rpm

　　至此，LVS的安装算是完成了一半。就是说，现在的Linux已经具备了实现LVS的能力了，接下来的问题就是如果使用LVS来构建一组cluster了。要想实现一组cluster，我们就要使用ipvsadm工具进行配置，而在我们开始使用ipvsadm进行配置之前，我们需要了解一些基本的LVS的知识，特别是以下三个要点：LVS的结构、LVS的三种包转发方式、LVS的八种调度算法。只有了解了这些知识以后，我们才能理该如何使用ipvsadm来进行配置。下面简单介绍LVS的这三个要点：

　　1. LVS的结构

　　LVS方式的cluster从结构上可分为两部分：前端的负载均衡器(称之为director)和后端的真实服务器(称之为real server)。cluster前端的director将来自外界的请求调度到cluster后端不同的real server去执行。real server负责真正的提供各种应用服务，比如：Web、FTP、Mail等服务。real server的数量可以根据实际需求进行增加、减少。

2. LVS的三种包转发方式

　　LVS提供了三种包转发方式：NAT(网络地址映射)、IP Tunneling(IP隧道)、Direct Routing(直接路由)。不同的转发模式决定了不同的cluster的网络结构，下面对三种转发方式分别介始：

　　NAT(网络地址映射)

　　NAT方式可支持任何的操作系统，以及私有网络，并且只需一个Internet IP地址，但是整个系统的性能受到限制。因为执行NAT每次需要重写包，有一定的延迟；另外，大部分应用有80%的数据是从服务器流向客户机，也就是用户的请求非常短，而服务器的回应非常大，对负载均衡器形成很大压力，成为了新的瓶颈。

　　IP Tunneling(IP隧道)

　　director分配请求到不同的real server。real server处理请求后直接回应给用户，这样director负载均衡器仅处理客户机与服务器的一半连接。IP Tunneling技术极大地提高了director的调度处理能力，同时也极大地提高了系统能容纳的最大节点数，可以超过100个节点。real server可以在任何LAN或WAN上运行，这意味着允许地理上的分布，这在灾难恢复中有重要意义。服务器必须拥有正式的IP地址用于与客户机直接通信，并且所有服务器必须支持IP隧道协议。

　　Direct Routing(直接路由)

　　与IP Tunneling类似，负载均衡器仅处理一半的连接，避免了新的性能瓶颈，同样增加了系统的可伸缩性。Direct Routing与IP Tunneling相比，没有IP封装的开销，但由于采用物理层（修改MAC地址）技术，所有服务器都必须在一个物理网段。

　　3. LVS的八种调度算法

　　LVS已实现了以下八种调度算法：

　　1.轮叫调度（Round-Robin Scheduling）
　　2.加权轮叫调度（Weighted Round-Robin Scheduling）
　　3.最小连接调度（Least-Connection Scheduling）
　　4.加权最小连接调度（Weighted Least-Connection Scheduling）
　　5.基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections Scheduling）
　　6.带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication Scheduling）
　　7.目标地址散列调度（Destination Hashing Scheduling）
　　8.源地址散列调度（Source Hashing Scheduling）

　　注：如果想了解关于以上几点的技术细节，LVS的主页查询。LVS的主页是：

　　http://www.LinuxVirtualServer.org/
　　http://www.linux-vs.org/

　　了解了LVS的三个要点之后，接下来我们来配置一个采用Direct Routing包转发方式、加权最小连接调度算法的cluster。

我们知道Direct Routing包转发方式是通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到real server。前台的director机器只需要接收和调度外界的请求，而不需要负责返回这些请求的反馈结果。director机器和real server都有一块网卡连在同一物理网段上。所以我们给出以下的网络拓扑图：

　　director机器上需要进行如下配置：

　　设置好本机的IP：192.168.2.1
　　然后执行以下命令：
　　ifconfig lo:0 192.168.2.254 netmask 255.255.255.255 broadcast
　　192.168.2.254 up
　　route add -host 192.168.2.254 dev lo:0
　　echo 1 ＞ /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
　　echo 1 ＞/proc/sys/net/ipv4/conf/all/hidden

　　ipvsadm -C
　　ipvsadm -A -t 192.168.2.254:80 -s wlc
　　ipvsadm -a -t 192.168.2.254:80 -r 192.168.2.2 -g
　　ipvsadm -a -t 192.168.2.254:80 -r 192.168.2.3 -g
　　......
　　ipvsadm -A -t 192.168.2.254:21 -s wlc
　　ipvsadm -a -t 192.168.2.254:21 -r 192.168.2.2 -g
　　ipvsadm -a -t 192.168.2.254:21 -r 192.168.2.3 -g
　　......

　　real server机器上需要进行如下配置：

　　对于第一台real server(RS1)，设置好本机的IP：192.168.2.2 然后执行以下命令：

　　ifconfig lo:0 192.168.2.254 netmask 255.255.255.255 broadcast
　　192.168.2.254 up
　　route add -host 192.168.2.254 dev lo:0

　　对于其它real server：RS2、RS3、RS4......，做相类的设定。

　　完成以上设置后，所有对192.168.2.254的80端口的访问都会通过director机器分配到后面的real server上去，而real server的处理后结果将直接反馈给客户。至此，我们完成了一个cluster的例子。通过这个例子，相信您也可以轻松地利用Linux架设起一组cluster来。其实在cluster架设到这里之后，还并不能达到正式应用的要求，实际应用中还有一些问题需要解决，比如要安装监视软件，监视集群的运作，要能及时发现real server的故障并对应调整real server的列表。还有后台real server节点的数据一致性等问题。这些在一些商用的cluster软件产品中就得到了很好的解决，而网络也有一些非商用的软件，比如mon就是这样的系统资源监控程序，可以监控网络服务可用性、服务器问题等，最重要的是mon提供了一个框架，用户可以自行定义和扩展。这些内容请参阅其它文章。