LVS负载均衡群集

企业群集应用概述

群集的含义

●Cluster,集群、群集
●由多台主机构成,但对外只表现为一个整体,只提供一 个访问入口(域名或IP地址),相当于一台大型计算机。

问题

●互联网应用中,随着站点对硬件性能、响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求越来越高,单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用的要求。

解决方法

●使用价格昂贵的小型机、大型机
●使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集
通过整合多台服务器,使用LVS来达到服务器的高可用和负载均衡,并以同一个IP地址对外提供相同的服务。
在企业中常用的一种群集技术一LVS (Linux Virtual Server,Linux虚拟服务器)

企业群集分类

根据群集所针对的目标差异,可分为三种类型
●负载均衡群集
●高可用群集
●高性能运算群集

负载均衡群集(Load Balance Cluster)

●提高应用系统的响应能力、尽可能处理更多的访问请求、减少延迟为目标,获得高并发、高负载(LB) 的整体性能
●LB的负载分配依赖于主节点的分流算法,将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点,从而缓解整个系统的负载压力。例如,"DNS轮询” “反向代理” 等

高可用群集(High Availability Cluster)

●提高应用系统的可靠性、尽可能地减少中断时间为目标,确保服务的连续性,达到高可用(HA) 的容错效果
●HA的工作方式包括双工和主从两种模式,双工即所有节点同时在线;主从则只有主节点在线,但当出现故障时从节点能自动切换为主节点。例如,“故障切换” “双机热备” 等

高性能运算群集(High Performance Computer Cluster)

●以提高应用系统的CPU运算速度、扩展硬件资源和分析能力为目标,获得相当于大型、超级计算机的高性能运算(HPC) 能力
●高性能依赖于"分布式运算”、“并行计算” ,通过专用硬件和软件将多个服务器的CPU、内存等资源整合在一起,实现只有大型、超级计算机才具备的计算能力。例如,“云计算” “网格计算” 等负载均衡群集架构

负载均衡群集架构

第一层,负载调度器(Load Balancer或Director)

访问整个群集系统的唯一入口, 对外使用所有服务器共有的VIP地址,也称为群集IP地址。通常会配置主、备两台调度器实现热备份,当主调度器失效以后能够平滑替换至备用调度器,确保高可用性。
第二层,服务器池(Server Pool)
群集所提供的应用服务、由服务器池承担,其中每个节点具有独立的RIP地址(真实IP),只处理调度器分发过来的客户机请求。当某个节点暂时失效时,负载调度器的容错机制会将其隔离,等待错误排除以后再重新纳入服务器池。
第三层,共享存储(Share Storage)
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共享存储可以使用NAS设备,或者提供NFS共享服务的专用服务器。

负载均衡群集工作模式分析

负载均衡群集是目前企业用得最多的群集类型
群集的负载调度技术有三种工作模式
●地址转换 (NAT)
●IP隧道(TUN)
●直接路由(DR)
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NAT模式

地址转换
●Network Address Translation,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,也是各节点回应客户机的访问出口
●服务器节点使用私有IP地址,与负载调度器位于同一个物理网络,安全性要优于其他两种方式

为什么不使用NAT模式

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,也是各节点回应客户机的访问出口,这个调度器将会成为整个负载均衡的瓶颈

TUN模式

IP隧道
●IP Tunnel,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访问入口,各节点通过各自的Internet连接直接回应客户机,而不再经过负载调度器
●服务器节点分散在互联网中的不同位置,具有独立的公网IP地址,通过专用IP隧道与负载调度器相互通信

DR模式

直接路由
●Direct Routing,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,但各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
●负载调度器与各节点服务器通过本地网络连接,不需要建立专用的IP隧道

关于LVS虚拟服务器

Linux Virtual Server

●针对Linux内核开发的负载均衡解决方案
●1998年5月,由我国的章文嵩博士创建
●官方网站: http://www.linuxvirtualserver.org/

●LVS实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用,为基于IP地址和内容请求分发的负载均衡提出了一种高效的解决方法

LVS现在已成为Linux内核的一部分,默认编译为ipvs 模块,必要时能够自动调用。在CentOS 7系统中,以下操作可以手动加载ip vs模块,并查看当前系统中ip_ vs模块的版本信息。

modprobe ip_VS    #调用模块,确认内核对LVS的支持 
cat /proc/net/ip_VS

LVS的负载调度算法

轮询(Round Robin)
◆将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点(真实服务器),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(Weighted Round Robin)
◆根据调度器设置的权重值来分发请求,权重值高的节点优先获得任务,分配的请求数越多
◆保证性能强的服务器承担更多的访问流量

最少连接(Least Connections )
◆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(Weighted Least Connections)
◆在服务器节点的性能差异较大时,可以为真实服务◆器自动调整权重性能较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

使用ipvsadm工具

LVS群集创建与管理

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ipvsadm工具选项说明

选项 说明
-A 添加虚拟服务器
-D 删除整个虚拟服务器
-S 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)
-a 表示添加真实服务器(节点服务器)
-d 删除某一个节点
-t 指定 VIP地址及 TCP端口
-r 指定 RIP地址及 TCP端口
-m 表示使用 NAT群集模式
-g 表示使用 DR模式
-i 表示使用 TUN模式
-w 设置权重(权重为 0 时表示暂停节点)
-p 60 表示保持长链接60秒
-l 列表查看LVS虚拟服务器(默认为查看所有)
-n 以数字形式显示地址、端口等信息,常与“-l” 选项组合使用。ipvsadm -ln

案例: LVS-NAT部署实战

NAT模式 (VS-NAT)

原理

首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时,根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器(RS)。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址(RIP)。真实服务器响应完请求后,查看默认路由,把响应后的数据包发送给负载均衡器,负载均衡器在接收到响应包后,把包的源地址改成虚拟地址(VIP) 然后发送回给客户端。

优点

集群中的服务器可以使用任何支持TCP/IP的操作系统,只要负载均衡器有一个合法的IP地址。

缺点

扩展性有限,当服务器节点增长过多时,由于所有的请求和应答都需要经过负载均衡器,因此负载均衡器将成为整个系统的瓶颈。

案例环境

●LVS调度器作为Web服务器池的网关,LVS两块网卡,分别连接内外网,使用轮询(rr) 调度算法
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NAT模式LVS负载均衡群集部署

搭建环境

负载调度器: 内网关ens33: 192.168.38.38,外网关ens36: 12.0.0.1
Web节点服务器1: 192.168.38.73
Web节点服务器2: 192.168.38.74
NFS服务器: 192.168.38.75
客户端: 12.0.0.1

1.部署共享存储(NFS服务器: 192.168.80.13)

systemctl stop firewalld.service        #关闭防火墙
systemctl disable firewalld.service     #关闭开机自启
setenforce 0                            #关闭系统安全机制

yum install nfs-utils rpcbind -y        #安装nfs的两个包,一般是默认安装
systemctl enable --now {rpcbind,nfs}    #设置开机自启动
systemctl status --now {rpcbind,nfs}    #启动服务,注意启动顺序,先开启rpcbind再开启nfs

mkdir -p /data/{accp,benet}             #在data目录下创建两个共享目录
chmod 777 *                             #给两个目录加权,所有用户可读可写可执行

echo 'accp 滴滴滴' > accp/index.html
echo 'benet 嗒嗒嗒' > benet/index.html
#在默认首页文件中写入内容

vim /etc/exports        
/data/accp 192.168.38.0/24(rw,sync)
/data/benet 192.168.38.0/24(rw,sync)
#在/etc/exports里写入共享策略,共享192.168.38.0/24网段,权限可读可写信息共享

exportfs -rv                            #发布共享

showmount -e 192.168.38.75              #查看NFS-Server的共享目录

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2.配置节点服务器(192.168.38.73、192.168.38.74)

systemctl stop firewalld.service      #关闭防火墙
systemctl disable firewalld.service   #关闭开机自启
setenforce 0                          #关闭系统安全机制

showmount -e 192.168.38.75            #查看NFS-Server的共享目录

yum install httpd -y                  #yun安装httpd服务,默认首页目录为/var/www/html
systemctl enable --now httpd          #启动httpd服务并设为开机自启动
netstat -natp | grep :80              #查看服务

---192.168.38.73---
mount 192.168.38.75:/data/accp /var/www/html/
#挂载NFS-Server的首页目录到共享目录中
cd /var/wwwhtml/
cat index.html
#查看首页内容

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33    #修改网关,注释DNS
systemctl restart network                         #重启网卡

---192.168.38.74---
mount 192.168.38.75:/data/benet /var/www/html/
cd /var/wwwhtml/
cat index.html
#查看首页内容
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33    #修改网关,注释DNS
systemctl restart network                         #重启网卡

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192.168.38.73
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192.168.38.74
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3.配置负载调度器(内网关 ens33: 192.168.38.38,外网关 ens36: 12.0.0.1)

systemctl stop firewalld.service        #关闭防火墙
systemctl disable firewalld.service     #关闭开机自启
setenforce 0                            #关闭系统安全机制

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(1)配置SNAT转发规则

ifconfig ens36 12.0.0.1/24            #配置负载调度器地址
ifconfig                              #查看地址

vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
或
echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
#添加ip转发功能

sysctl -p                            #加载刚添加的内核配置

iptables -F
iptables -t nat -F
iptables -nL -t nat                  #清空规则列表并查看
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.38.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.1
#添加规则,-t:指定表名;-A:指定链;-s:源IP;-o:出口网卡;-j:控制类型;-to:转换

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(2)加载LVS内核模块

modprobe ip_vs               #加载ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs          #确认内核对LVS的支持

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(3)安装ipvsadm 管理工具

yum -y install ipvsadm          #安装ipvsadm管理工具

---启动服务前须保存负载分配策略---
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm

systemctl start ipvsadm.service      #启动服务
systemctl status ipvsadm.service     #服务状态

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(4)配置负载分配策略(NAT模式只要在服务器.上配置,节点服务器不需要特殊配置)

ipvsadm -C                  #清除原有策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.38.73:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.38.74:80 -m -w 1
#添加规则-A:添加虚拟服务器;-t:VIP,虚拟ip所用外网网卡;-s:算法;rr:轮询;-a:添加真实服务器;-r:真实IP地址;-m:表示使用nat策略;-w:设置权重
ipvsadm                     #启用策略

ipvsadm - ln                #查看节点状态,Masq代表 NAT模式   (当前负载均衡的状态)
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm                        #保存策略

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4.测试效果

在一台IP为12.0.0.100的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.1/ ,不断刷新浏览器测试负载均衡效果,刷新间隔需长点。
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