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——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

负载均衡的结构

  • 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
  • 直接路由

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

==为什么不用NAT模式?==

NAT模式的调度器即作为客户机的访问入口,又作为回应客户机的访问出口,调度器性能有所影响,调度器将成为整个集群的瓶颈。

TUN模式

IP隧道

  • lP 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

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.orgl
  • 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ip_vs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。
[root@localhost ~]# modprobe ip_vs                  确认内核对LVS的支持
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs
lPVirtual Server version 1.2.1(size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
->RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn

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 RoundRobin)

  • 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
列举你知道的LVS调度算法?
答案:
轮询(Round Robin) ;
加权轮询(weighted Round Robin) ;
最少连接(Least Connections) ;
加权最少连接(weighted Least Connections) ;
源地址哈希值(source hash ) 。

LVS调度器常见算法(均衡策略)?
LVS调度器用的调度方法基本分为两类:固定调度算法: rr,wrr,dh,sh
rr:轮询算法,将请求依次分配给不同的rs节点,即Rs节点中均摊分配。适合于Rs所有节点处理性能接近的情况。
wrr:加权轮训调度,依据不同Rs的权值分配任务。权值较高的RS将优先获得任务,并且分配到的连接数将比权值低的Rs更多。相同权值的RS得到相同数目的连接数。
dh:目的地址哈希调度(destination hashing)以目的地址为关键字查找一个静态hash表来获得所需RS。sh:源地址哈希调度(source hashing)以源地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS。

动态调度算法: wlc,lc,lblc
wlc:加权最小连接数调度,假设各台Rs的权值依次为wi,当前tcp连接数依次为ri,依次去Ti/Wi为最小的Rs作为下一个分配的RS。
lc:最小连接数调度(least-connection),IPVS表存储了所有活动的连接。LB会比较将连接请求发送到当前连接最少的RS。
lblc:基于地址的最小连接数调度( locality-based) 
least-connection):将来自同一个目的地址的请求分配给同一台RS,此时这台服务器是尚未满负荷的。否则就将这个请求分配给连接数最小的RS,并以它作为下一次分配的首先考虑。

LVS的工作模式及其工作过程:
LVS有三种负载均衡的模式,分别是VS/NAT (nat模式)、 VS/DR
(路由模式)、 vS /TUN(隧道模式)。
1、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,
巴向八迈
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。
2、直接路由模式(VS-DR)
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Mac地址改成后端真实服务器的Mac地址(R-MAC)。真实服务器响应完请求后,查看默认路由,把响应数据包直接发送给客户端,不需要经过负载均衡器。
优点:负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器,而Rs将应答包直接发给用户。所以,减少了负载均衡器的大量数据流动负载均衡器不再是系统的瓶颈,也能处理很巨大的请求量。
缺点:需要负载均衡器与真实服务器Rs都有一块网卡连接到同一物理网段上,必须在同一个局域网环境。
3、IP隧道模式(VS-TUN)
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报文封装一层IP隧道(T-IP)转发到真实服务器(RS)。真实服务器响应完请求后,查看默认路由,把响应后的数据包直接发送给客户端,不需要经过负载均衡器。

优点:负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器,而Rs将应答包直接发给用户。所以,减少了负载均衡器的大量数据流动负载均衡器不再是系统的瓶颈,也能处理很巨大的请求量。

缺点:隧道模式的Rs节点需要合法IP,这种方式需要所有的服务器支持"IP Tunneling"。

使用ipvsadm工具

  • LVS群集创建与管理

部署步骤
1.加载ip_vs模块,安装ipvvsadm工具
2.开启路由准发
3.新建LVS虚拟服务器并添加节点服务器

4.配置节点服务器

  • 建立测试网站
  • 挂载NFS共享存
  • 储建立测试网页

5.保存规则并测试

ipvsadm工具选项 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 表示保持长连接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

NAT模式LVS负载均衡群集部署

负载调度器: 内网关 ens33:192.168.80.10,外网关ens36:12.0.0.1

web节点服务器1:192.168.80.100
web节点服务器2:192.168.80.101

NFS服务器:192.168.80.13
客户端:12.0.0.12

  • 1.部署共享存储(NFS服务器:192.168.80.13)
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service              #
setenforce 0

yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir lopt/ kgc lopt /benet
chmod 777 lopt / kgc /opt/ benet
echo 'this is kgc web!' > /opt / kgc/index.html
echo 'thls ls benet web:' >/ opt / benet/ index.html

vim /etc/exports
/usr/ share * (ro, sync)
/opt/ kgc 192.168.80.0/24(rw, sync)/ opt/benet 192.168.80.0/24 (rw, sync)

--发布共享---
exportfs -rv
  • 2.配置节点服务器(192.168.80.100、192.168.80.101)
systemctl stop firewalld. servicesystemctl disable firewalld.servicesetenforce o
yum install httpd -y
systemctl start httpd.servicesystemctl enable httpd.service
yum install nfs-utils rpcbind -yshowmount -e 192.168.80.13
systemctl start rpcbindsystemctl enable rpcbind
--192.168.80.100---
vim /etc/fstab
192.168.80.13 : / opt / kgc
/var/www/htmlnfs
defaults,_netdev0o
--192.168.80.101---
mount.nfs 192.168.80.13:/opt/benet /var/www/ html
echo 'this is benet web!' > /var/www/ html/index.html
vim /etc/ fstab
192.168.80.13:/opt/benet /var/www/html nfsdefaults,_netdev0 0
  • 3.配置负载调度器(内网关ens33:192.168.80.10,外网关 ens36:12.0.0.1)

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.servicesetenforce 0
setenforce 0

(1)配置SNAT转发规则
vim /etc/sysctl.confnet.ipv4.ip_forward = 1
或echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forwardsysctl -p
iptables -t nat -Fiptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.80.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

(2)加载LVS内核模块
modprobe ip_vs      #加载ip vs模块
cat /proc/ net/ip_vs        #查看ip_vs版本信息

for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvslgrep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo
-F
filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done

(3)安装ipvsadm管理工具
yum -y install ipvsadm
#启动服务前须保存负载分配策略
ipvsadm-save > letc/ sysconfig/ipvsadm
或者ipvsadm --save > /etc/ sysconfig /ipvsadm

systemctl start ipvsadm. service

(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 192.168.80.11:80 -m[-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.12:80 -m [-w 1]

ipvsadm             #启用策略

ipvsadm -ln         #查看节点状态,Masq代表NAT模式

ipvsadm-save > letc/sysconfig/ipvsadm       #保存策略

ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.11:80       #删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80                           #删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm                              #停止服务(清除策略)
systemctl start ipvsadm                             #启动服务(重建规则)
ipvsadm-restore < /etc/ sysconfig/ipvsadm           #恢复LVS策略
  • 4.测试效果
    在一台IP为12.0.0.12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。

LVS总结:

ipvs与iptables底层都是用的nat转换技术,都是属于内核态netfilter。
ipvs转发性能更好一些。

相对iptables管理的策略更少,iptables读取策略是按照规则表从上往下依次读取,而ipvs是直接根据分发策略转发

LVS 3种模式NAT DRIP-TUNNEL
NAT模式会把调度器当做客户端访问的入口,也把调度器当做服务器回应客户端的访问出口,调度器将会成为整个负载均衡群集并DR IP-TUNNEL会把调度器当做客户端访问的入口,调度器会把请求转发给节点服务器,节点服务器回应是直接发送给客户端而不经过调度器
LVS的转发是属于4层转发。就是说是基于IP+端口的转发,而且负载均衡性能是最好的。

LNVS 调度算法(策略):rr轮询 wrr加权轮询 lc最少连接 wlc加权最少连接 sh源地址哈希 dh目的地址哈希(lblc基于地址的最小连接————了解即可)

要支持LVS的使用得加载ip_vs模块。modprobe ip_vsipvs所有模块在/usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/目录中

可以用ls l grep -o "^[^.]*" 去匹配模块名