1.Linux下的解决方案
Linux下的集群系统通常可以分为三类：
- HA容错集群 (Fail-over Cluster)
高可用性集群（High available）用于不可间断服务的环境下。提供冗余的容错备份，在主节点失效后，能够立即接管相关资源及继续提供相应服务。 - 负载均衡集群 (Load Balancing Cluster)
在应用服务的高负载情况下运用该技术，由多台节点提供高可伸缩的，高负载的服务器组。以保证对外提供良好的服务响应。 - HPC高性能计算机集群 (High Performance Computing)
概念并不完全统一，有一定争论，应该理解为并行系统，主要用于科学计算。
本文所要介绍的是前两类集群的一个完美的组合。
1.1. Linux Virtual Server项目
在1998年5月，由章文嵩博士成立了Linux Virtual Server的自由软件项目，进行Linux服务器集群的开发工作。同时，Linux Virtual Server项目也是国内最早出现的自由软件项目之一。该项目针对高可伸缩、高可用网络服务的需求，给出了基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法，它通过前端一个负载调度器（Load Balancer）无缝地将网络请求调度到真实服务器上，从而使得服务器集群的结构对客户是透明的，客户访问集群系统提供的网络服务就像访问一台高性能、高可用的服务器一样。客户程序不受服务器集群的影响不需作任何修改。系统的伸缩性通过在服务机群中透明地加入和删除一个节点来达到，通过检测节点或服务进程故障和正确地重置系统达到高可用性。并在Linux内核中实现了这些方法，将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。
虚拟服务器的体系结构如图2所示。
图2：虚拟服务器的结构
1.1.1. LVS的核心软件IPVS
在调度器的实现技术中，IP负载均衡技术是效率最高的。在已有的IP负载均衡技术中有通过网络地址转换（Network Address Translation）VS/NAT技术的基础上，IPVS软件实现了三种IP负载均衡技术：
1)Virtual Server via Network Address Translation（VS/NAT） 网络地址转换 (如图1)
2)Virtual Server via IP Tunneling（VS/TUN） 隧道技术 (如图2)
3)Virtual Server via Direct Routing（VS/DR） 直接路由 (如图3)
针对不同的网络服务需求和服务器配置，IPVS调度器实现了如下十种负载调度算法：
- 轮叫（Round Robin）
- 加权轮叫（Weighted Round Robin）
- 最少链接（Least Connections）
- 加权最少链接（Weighted Least Connections）
- 基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）
- 带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication）
- 目标地址散列（Destination Hashing ）
- 源地址散列（Source Hashing）
- 最短期望延迟(Shortest Expected Delay)（新增加调度算法）
- 无须队列等待（Never Queue）（新增加调度算法）
其中9－10是最新1.09版IPVS软件包中新增的调度算法，这十种调度算法将会在后面的ipvsadm配置文件中用到，通常用英文单词的第一个字母的缩写来表示。例如：轮叫（Round Robin）表示为rr。
三种IP负载均衡技术的优缺点比较
| VS/NAT | VS/TUN | VS/DR | |
| 服务器(OS) | 任意 | 支持隧道 | 多数(支持Non-arp ) |
| 服务器网络 | 私有网络 | 局域网/广域网 | 局域网 |
| 服务器数目(100M网络) | 10~20 | 100 | 多(100) |
| 服务器网关 | 负载均衡器 | 自己的路由 | 自己的路由 |
| 效率 | 一般 | 高 | 最高 |
三种IP负载均衡技术中特别是后两种技术VS/TUN，VS/DR极大地提高系统的伸缩性，它们的相关技术原理不是本文讨论的重点，若需了解详细内容，请参看章文嵩博士的相关撰文。
图1
图2
图3
1.2. High Availability of LVS
较为成熟的方案有mon+heartbeat+fake+coda 和ldirectord+heartbeat 方案，本文我们采用的是ldirectord+heartbeat 方案。
1.2.1. Heartbeat
Linux-HA 项目开始于 1998 年，是 Linux-HA HOWTO（Haranld Milz 著）的产物。该项目目前由 Alan Robertson 领导，许多其他代码提供者也参与其中。1.0.3版本是2003年6月发布的最新稳定版本。
Heartbeat 通过通信介质（通常是串行设备和以太网）监控节点的"健康"状况。最好有多个冗余介质，以便我们既可以使用串行线又可以使用以太网链接。每个节点运行一个守护程序进程（称为"心跳"）。主守护程序派生出读和写每个心跳介质的子进程，以及状态进程。当检测到某个节点发生故障时，Heartbeat 运行 shell 脚本来启动（或停止）辅助节点上的服务。按照设计，这些脚本使用与系统 init 脚本（通常位于 /etc/init.d 中）相同的语法。缺省脚本是为文件系统、Web 服务器和虚拟 IP 故障转移提供的。
1.2.2. Ldirectord
"ldirectord"(Linux Director Daemon)是Jacob Rief编程实现的一个独立进程，以实现对服务和物理服务器的监测，广泛地用于http和https等服务, Ldirectord与mon相比，优点如下：
- ldirectord是专门为LVS 监控而编写的。
- ldirectored可以方便地被heartbeat管理启动和停止。
- 它能从heartbeat的配置文件/etc/ha.d/xxx.cf中读取所有有关IPVS路由表配置的信息。当 ldirectord 运行后,IPVS路由表将被适当地配置。你也可以将不同的虚拟服务器配置保存在不同的配置文件里, 所以你可以单独修改某种服务的参数而不用停止其它的服务
- 另外，ldirectord安装简便，可以手工地启动和停止。你可以在没有备份负载均衡器的LVS集群上使用。
1.2.3. ldirectord+heartbeat的绝妙组合
ldirectord+heartbeat方案前端负载调度器采用双机热备份方式，双机均安装双网卡，一个网卡用于连接集群系统，另一个作为冗余心跳线路连接双机。采用串口线 ＋ 以太网口做为冗余心跳线路，以确保双机热备份的可靠性，消除由于主负载调度器或心跳线故障带来的集群单点故障。
在主负载调度器及备份负载调度器同时安装ldirectord及heartbeat，并同时运行Heartbeat，相互监视"健康"状况，一旦备份负载调度器监测到主负载调度器发生故障，备份服务器通过运行shell脚本来启动备份调度器上服务来完成虚拟 IP 故障转移，通过ipvsadm启动LVS及ldirectord，完成负载调度器的整体接管。一旦主负载调度器恢复正常工作，备份负载将通过脚本停掉备份负载调度器上的LVS及ldirectord，同时完成虚拟 IP 故障转移，主负载调度器重新恢复接管LVS及ldirectord监控服务。这样负载调度器就完成了一个标准的接管及恢复过程。
该方案结构清晰明了，安装简便，并且ldirectord是专门为LVS所开发，针对性强，无缝衔接，配合默契，堪称绝妙组合。
回页首
2. LVS在Red Hat 9.0上的具体实现
2.1. 实现目标：
实现以常用、效率最高的LVS-DR IP负载技术为基础，以高可用性（HA）＋ 高性能 ＋ 高性能/价格比 ＋ 高可伸缩性为最终目的。负载均衡器采用HA技术构架，采用Heartbeat软件包，heartbeat采用串口、网络口冗余线路，保证24X7不间断运行。结构如图：
Setup LVS using LVS-DR forwarding
________
| |
| client |
|________|
CIP= SGW =192.168.7.254/24 (eth0)
|
|
eth1 __________ |
192.168.0.1 | director | |
--------| primiary |---| DIP=192.168.7.9/24 (eth0)
| |__________| |
| ttyS0| |
|heartbeat | |
|backup | | VIP=192.168.7.110/32 (eth0:0)*
| ttyS0| |
| _____|____ |
| | director | |
--------| backup |---| DIP=192.168.7.10/24 (eth0)
eth1 |__________| |
192.168.0.2 |
|
|
|
|
-----------------------------------
| |
| |
RIP=192.168.7.11/24 (eth0) RIP=192.168.7.12/24 (eth0)
VIP=192.168.7.110/32 (lo:0) VIP=192.168.7.110/32 (lo:0)
____________ ____________
| | | |
| realserver | ----------- | realserver |
|____________| |____________|
|
2.2. 设备要求：
因为负载均衡器和真实服务器节点均有软硬件冗余保障，所以硬件设备可以根据具体资金情况及提供服务规模而定。当然最好采用支持RAID，SCSI，内存ECC校验，热插拔等技术的专用服务器，以提供稳定高效的服务。对于非关键业务服务，也可以考虑采用最新支持IDE RAID(0,1,0＋1,1.5,5)的服务器，可以获得一个良好的性能/价格比。当然，如果你是一个对硬件技术细节非常熟悉，说话又有分量，对自己非常有信心，敢冒风险，崇尚节约、实用性的人，那么DIY一组高性价比的服务器集群，也是一件非常有意义而且充满乐趣的工作。
2.3.原始软件环境：
Red Hat 9.0 完全安装
Red Hat 9.0 （kernel-2.4.20-8 ） gcc -3.2.2-5
如果你使用的是Red Hat 8 ，那么你很幸运。Red Hat 8 (kernel-2.4.18-14)已经预先打了ipvs的补丁，在预安装的内核中已将ipvs编译成模块，可以通过检查 /lib/modules/2.4.18-14/kernel/net/ipv4/ipvs 是否存在来判断。可以直接安装ipvsadm。从Red Hat 9 (kernel-2.4.20-8),Red Hat 取消了ipvs的补丁及预编译ipvs为模块的内核，且Red Hat 9 自带的kernel-2.4.20-8的内核无法通过ipvs补丁linux-2.4.20-ipvs-1.0.9 .patch.gz的编译，至少在我的两台P4的机器上都没有通过编译。标准内核linux-2.4.20.tar.gz则可以通过编译。所以我们将采用www.kernel.org上的标准内核kernel-2.4.20.tar.gz来构造我们的集群系统。
2.4.需下载软件包：
# Linux kernel
http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.4/linux-2.4.20.tar.gz
# ipvs patch
http://www.linuxvirtualserver.org/software/kernel-2.4/linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch.gz
# ipvs tar ball
http://www.linuxvirtualserver.org/software/kernel-2.4/ipvs-1.0.9.tar.gz
# hidden patch（已经包括在ipvs-1.0.9.tar.gz，可不用下载）
http://www.ssi.bg/~ja/hidden-2.4.20pre10-1.diff（解决arp 问题 for LVS-DR/LVS-Tun）
# ipvsadm (已包含在ipvs-1.0.9.tar.gz包中, 可不用下载)
# Ldirectord
http://www.linux-ha.org/download/heartbeat-ldirectord-1.0.3-1.i386.rpm
# heartbeat
http://www.linux-ha.org/download/heartbeat-1.0.3.tar.gz
http://www.linux-ha.org/download/heartbeat-1.0.3-1.src.rpm
http://www.linux-ha.org/download/heartbeat-1.0.3-1.i386.rpm
http://www.linux-ha.org/download/heartbeat-pils-1.0.3-1.i386.rpm
http://www.linux-ha.org/download/heartbeat-stonith-1.0.3-1.i386.rpm
2.5. 安装要求：
2.5.1 Director:
- 内核打non-arp的补丁hidden-2.4.20pre10-1.diff （解决arp problem for LVS-DR/LVS-Tun，虽然在Directors上运行时并不需要，但硬件环境如果和Realserver类似，内核可以直接放到RealServer上运行，不用再为realServer重新编译内核，当然也可不打该补丁。）
- 内核打ipvs的补丁linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch.gz，重新编译新内核。
- 运行新内核后编译安装ipvsadm。（LVS-NAT (network address translation); LVS-DR (direct routing) and LVS-Tun (tunneling). 真实服务器 realserver/service 的转发方式由ipvsadm来设置。）
2.5.2 RealServes: （在LVS-NAT方式下，不需要打任何补丁）
内核打arp的补丁hidden-2.4.20pre10-1.diff （arp problem for LVS-DR/LVS-Tun）编译新内核。
- 解决Non-arp problem
- 设置缺省网关（gw）
- LVS-NAT: director（DIP）
- LVS-DR, LVS-Tun: 对外路由 (不是director的IP).
如果你不知道你的内核源代码是否已经预打过ipvs的补丁, 可以询问你的Linux发行版的制造商或查看相关ipvs 文件，文件名类似于 /usr/src/linux-2.4/net/ipv4/ip_vs_*.c。
2.6. 安装步骤：
2.6.1 Director或RealServer上内核的安装:
export D=/tmp/download mkdir $D cd $D wget http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.4/linux-2.4.20.tar.gz wget \ http://www.linuxvirtualserver.org/software/kernel-2.4/linux-2.4.20-ipvs-1.0.9 .patch.gz wget http://www.linuxvirtualserver.org/software/kernel-2.4/ipvs-1.0.9.tar.gz tar zxvf linux-2.4.20.tar.gz tar zxvf ipvs-1.0.9.tar.gz gunzip linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch.gz mv linux-2.4.20 /usr/src/linux-2.4.20 cd /usr/src rm -f linux-2.4 ln -s linux-2.4.20 linux-2.4 cd linux-2.4 patch -p1 < $D/ipvs-1.0.9/contrib/patches/hidden-2.4.20pre10-1.diff \ (arp for LVS-DR/LVS-Tun） patch -p1 < $D/linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch （仅在编译Director内核时打补丁） make mrproper cp /boot/config-2.4.20-8 .config （使用Red Hat 9自带的config内核配置文件或 使用/usr/src/linux-2.4.7-10/configs下的配置文件） make menuconfig（参照相关ipvs及内核配置） 或在图形界面运行： make xconfig |
相关网络内核选项：
相关LVS内核选项：
make dep
make clean
make bzImage
make modules
make modules_install
cp arch/i386/boot/bzImage /boot/ vmlinuz-2.4.20-lvs (rs)
cp System.map /boot/System.map.2.4.20-lvs (rs)
cp vmlinux /boot/vmlinux-2.4.20-lvs (rs)
cd /boot
rm -f System map
ln -s System.map.2.4.20-lvs (rs) System.map
vi /boot/grub/grub.conf:
title 2.4.20-lvs
root (hd0,0)
kernel /boot/vmlinuz-2.4.20-lvs (rs) ro root=/dev/xxx
|
如果要安装该内核在其它机器上:
tar czf linux-2.4.20-dir.tgz /usr/src/linux-2.4.20/
在其它机器上解压tar zxvf linux-2.4.20-dir.tgz 放置到/usr/src
rm -f linux-2.4
ln -s linux-2.4.20 linux-2.4
cd linux-2.4
make modules_install
cp arch/i386/boot/bzImage /boot/ vmlinuz-2.4.20-lvs (rs)
cp System.map /boot/System.map.2.4.20-lvs (rs)
cd /boot
rm -f System map
ln -s System.map.2.4.20-lvs (rs) System.map
vi /boot/grub/grub.conf:
title 2.4.20-lvs
root (hd0,0)
kernel /boot/vmlinuz-2.4.20-lvs (rs) ro root=/dev/xxx
|
2.6.2 Director上ipvsadm 的安装：
用打过ipvs和hidden（for LVS-DR/LVS-Tun）补丁的新内核启动linux
cd / tmp/download/ipvs-1.0.9/ipvs/ipvsadm make install |
检查ipvsadm 探测到内核的ipvs的补丁可以运行
ipvsadm |
如果成功你会看到类似于如下内容：
director: /usr/src# ipvsadm IP Virtual Server version 0.2.7 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn |
说明安装成功
运行lsmod | grep ip_vs 可以看到ip_vs模块已经被插入内核运行。
2.6.3. 运行脚本( Run Scripts )
以下以最常用的LVS-DR模式来介绍相关的脚本设置
( 以Telnet服务, 轮叫(rr)策略为例 )
2.6.3.1 Director上:
#!/bin/bash #---------------mini-rc.lvs_dr-director------------------------ #set ip_forward OFF for vs-dr director (1 on, 0 off) cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward echo 0 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward #director is not gw for realservers: leave icmp redirects on echo 'setting icmp redirects (1 on, 0 off) ' echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects cat /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects cat /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects cat /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects #add ethernet device and routing for VIP 192.168.7.110 #if use backup director ,pay any attention about bellow /sbin/ifconfig eth0:0 192.168.7.110 broadcast 192.168.7.110 netmask 255.255.255.255 up /sbin/route add -host 192.168.7.110 dev eth0:0 #listing ifconfig info for VIP 192.168.7.110 /sbin/ifconfig eth0:0 #check VIP 192.168.7.110 is reachable from self (director) /bin/ping -c 1 192.168.7.110 #listing routing info for VIP 192.168.7.110 /bin/netstat -rn #setup_ipvsadm_table #clear ipvsadm table /sbin/ipvsadm -C #installing LVS services with ipvsadm #add telnet to VIP with round robin scheduling /sbin/ipvsadm -A -t 192.168.7.110:telnet -s rr #forward telnet to realserver using direct routing with weight 1 /sbin/ipvsadm -a -t 192.168.7.110:telnet -r 192.168.7.11 -g -w 1 #check realserver reachable from director ping -c 1 192.168.7.11 #forward telnet to realserver using direct routing with weight 1 /sbin/ipvsadm -a -t 192.168.7.110:telnet -r 192.168.7.12 -g -w 1 #check realserver reachable from director ping -c 1 192.168.7.12 #displaying ipvsadm settings /sbin/ipvsadm #not installing a default gw for LVS_TYPE vs-dr #---------------mini-rc.lvs_dr-director------------------------ |
该段运行脚本对于熟悉Linux网络配置的读者来说应该很容易理解。由于LVS是通过对标准内核打补丁，在内核级提供支持，所以在LVS-DR模式下，首先是进行内核的相关设置。要关闭标准内核下的ip_forward转发方式，即置为0。同时因为LVS-DR模式下，集群的网关是外部网关，而不是负载均衡器。所以要打开icmp包的重定向设置send_redirects 置为1。接着就是绑定集群的虚拟服务器的IP地址，并添加一条到该IP地址的主机路由。然后对该虚拟IP做一些必要的自我检测，同时列出路由表。最后是有关ipvasdm的设置，首先清空ipvasdm表，然后添加需要提供负载均衡的服务及调度策略，这里例举的是telnet服务，也可以直接使用端口号，调度策略为轮叫(rr)策略。最后添加转发到真实服务器的直接路由，如果有多台RealServer或需要提供多种服务的负载均衡，依次添加。再做一些到RealServer的网络测试（也可不要），最后显示ipvasdm所有的设置信息。
注意：
ipvs-1.0.9.tar.gz中包含的ipvsadm是1.21版，安装后在/etc/rc.d/init.d/目录下自动生成了标准的init服务脚本，如果你的Director没有安装备份服务器，你可以通过服务管理工具让它在相应的运行级里自动运行，如果Director是HA系统，则由heartbeat控制运行。
另外该服务脚本提供了配置保存功能。配置文件为：/etc/sysconfig/ipvsadm 你必须手工建立。然后在其中输入规则和策略：
例如：
-A -t 192.168.7.110:telnet -s rr -A -t 192.168.7.110:http -s rr -a -t 192.168.7.110:telnet -r 192.168.7.11 -g -w 1 -a -t 192.168.7.110:http -r 192.168.7.11 -g -w 1 |
然后存盘。
或直接运行：
/sbin/ipvsadm -A -t 192.168.7.110:telnet -s rr /sbin/ipvsadm -A -t 192.168.7.110:http - rr /sbin/ipvsadm -a -t 192.168.7.110:telnet -r 192.168.7.11 -g -w 1 /sbin/ipvsadm -a -t 192.168.7.110:http -r 192.168.7.11 -g -w 1 |
然后运行：/etc/rc.d/init.d/ipvsadm save
就可以保存当前配置到/etc/sysconfig/ipvsadm文件中。
在具有HA系统的Director上，ipvsadm可以方便地被Heartbeat管理－启动、停止。Director上的VIP（虚拟）服务器地址由Heartbeat负责设置和切换。
做法如下：
在Heartbeat的配置文件haresources中加类似入如下一行：
linuxha1 IPaddr::192.168.7.110/24/192.168.7.255 ipvsadm ldirectord::www ldirectord::mail
2.6.3.2. RealServers上:
#!/bin/bash #----------mini-rc.lvs_dr-realserver------------------ #installing default gw 192.168.7.254 for vs-dr /sbin/route add default gw 192.168.7.254 #showing routing table /bin/netstat -rn #checking if DEFAULT_GW 192.168.1.254 is reachable ping -c 1 192.168.7.254 #set_realserver_ip_forwarding to OFF (1 on, 0 off). echo 0 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward #looking for DIP 192.168.7.9 ping -c 1 192.168.7.9 #looking for VIP (will be on director) ping -c 1 192.168.7.110 #install_realserver_vip /sbin/ifconfig lo:0 192.168.7.110 broadcast 192.168.7.110 netmask 255.255.255.255 up #ifconfig output /sbin/ifconfig lo:0 #installing route for VIP 192.168.1.110 on device lo:0 /sbin/route add -host 192.168.7.110 dev lo:0 #listing routing info for VIP 192.168.7.110 /bin/netstat -rn #hiding interface lo:110, will not arp echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/hidden cat /proc/sys/net/ipv4/conf/all/hidden echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/hidden cat /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/hidden #----------mini-rc.lvs_dr-realserver------------------ |
该段脚本和上面的脚本比较类似，相信不用再多做介绍了。需要注意的是：LVS-DR模式下，缺省网关的设置。集群的网关是外部网关，而不是负载均衡器。还有就是RealServer上绑定的VIP地址的设备lo:0。另外不要忘了开启not arp补丁的设置开关。相信你已经很清楚了。
你也可以把以上脚本改写成符合init语法的标准脚本，放到/etc/rc.d/init.d/下面运行，或直接加到/etc/init.d/rc.local下运行。
改写为标准init语法脚本如下：
#!/bin/bash
#
# hidden This shell script takes care of starting and stopping
# the ipvs-hidden subsystem (hiddend).
#
# chkconfig: 2345 78 12
# description: ipvs-hidden
# processname: hiddend
prog="hidden"
start(){
echo 0 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward
/sbin/ifconfig lo:0 192.168.7.110 broadcast 192.168.7.110 netmask 255.255.255.255 up
# installing route for VIP 192.168.1.110 on device lo:0
/sbin/route add -host 192.168.7.110 dev lo:0
# listing routing info for VIP 192.168.7.110
/bin/netstat -rn
# hiding interface lo:0, will not arp
# echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/hidden
echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/hidden
}
stop(){
echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward
/sbin/ifconfig lo:0 192.168.7.110 broadcast 192.168.7.110 netmask 255.255.255.255 down
/sbin/route del -host 192.168.7.110 dev lo:0
# echo 0 >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/hidden
echo 0 >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/hidden
}
restart(){
stop
start
}
condrestart(){
[ -e /var/lock/subsys/hiddend ] && restart || :
}
# See how we were called.
case "$1" in
start)
start
;;
stop)
stop
;;
restart)
stop
start
;;
*)
echo $"Usage: $0 {start|stop|restart}"
exit 1
esac
exit $?
|
然后：
cp rc.lvs /etc/rc.d/init.d/hiddend chmod 755 /etc/rc.d/init/d/hiddend chkconfig - -add hiddend |
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