声明：由于家庭条件不允许这边只有NAT和DR

一、群集与分布式

1.1 群集的含义

​群集又称为集群、Cluster，是由多台主机构成，但是对外依然是一个整体，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。

​在实际应用中，随着站点对性能的、响应速度、数据可靠性、服务器稳定性等要求越来越高，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用要求。​

1、使用价格昂贵的小型机、大型机，即提升硬件性能。

2、使用多台相对廉价的普通服务器进行构建服务集群。

1.2 系统性能扩展方式

Scale UP：垂直扩展，向上扩展,增强，性能更强的计算机运行同样的服务

Scale Out：水平扩展，向外扩展,增加设备，并行地运行多个服务调度分配问题，Cluster（集群）

随着计算机性能的增长，其价格会成倍增长，垂直扩展不再提及，单台计算机的性能是有上限的，不可能无限制地垂直扩展，多核CPU意味着即使是单台计算机也可以并行的，也就是使用集群技术

1.3 群集的三种类型

​负载均衡群集​

​LB：Load Balancing，负载均衡，多个主机组成，每个主机只承担一部分访问请求​

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，从而环节整个系统的负载压力。

​高可用群集​

​HA： High Availiablity，高可用，避免 SPOF（single Point Of failure）​

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，双工即所有的节点都同时在线；主从则只有主节点在线，但是一旦出现故障从节点就能自动切换成主节点。

​高性能运算群集​

​HPC： High-performance computing，高性能​

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,如：“云计算” “网格计算” 等

1.4 LVS的负载调度算法

1.​轮询（Round Robin）​

  1. 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)
  2. 均等地对待每台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载。

2.​加权轮询（Weighted Round Robin）​

  1. 根据调度器设置的权重值来分发请求
  2. 权重值高的节点优先获得任务并且分配的请求越多
  3. 这样可以保证性能高的节点承担更 多请求。

3.​最少连接（Least Connections）​

  1. 根据真实服务器已建立的连接数进行分配
  2. 将收到的访问请求优先分配给连接数最少的节点
  3. 如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好的均衡负载

4.​加权最少连接（Weighted Least Connections）​

  1. 在服务器节点的性能差异较大的 情况下，调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重
  2. 权重较高的节点将承担更 大比例的活动连接负载。

1.5 分布式系统

​1.分布式存储： 将数据分散存储在多台独立的设备上 。Ceph（分布式文件系统），GlusterFS，FastDFS（开源的轻量级分布式文件系统），MogileFS（高效的文件自动备份组件）

​2.分布式计算： 将该应用分解成许多小的部分，分配给多台计算机进行处理。 hadoop（分布式系统基础架构），Spark

​分布式常见应用​

  1. 分布式应用-服务按照功能拆分，使用微服务（单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值服务）
  2. 分布式静态资源–静态资源放在不同的存储集群上
  3. 分布式数据和存储–使用key-value缓存系统
  4. 分布式计算–对特殊业务使用分布式计算，比如Hadoop集群

1.6 集群和分布式

​分布式是以缩短单个任务的执行时间来提升效率的，而集群则是通过提高单位时间内执行的任务数来提升效率。

  1. ​​集群：同一个业务系统，部署在多台服务器上。集群中，每一台服务器实现的功能没有差别，数据和代码都是一样的。
  2. ​分布式：一个业务被拆成多个子业务，或者本身就是不同的业务，部署在多台服务器上。分布式中，每一台服务器实现的功能是有差别的，数据和代码也是不一样的，分布式每台服务器功能加起来，才是完整的业务。

PS: 对于大型网站，访问用户很多，实现一个群集，在前面部署一个负载均衡服务器，后面几台服务器完成 同一业务。如果有用户进行相应业务访问时，负载均衡器根据后端哪台服务器的负载情况，决定由给哪 一台去完成响应，并且一台服务器垮了，其它的服务器可以顶上来。分布式的每一个节点，都完成不同 的业务，如果一个节点垮了，那这个业务可能就会失败。

1.7 负载均衡群集架构

​第一层：负载调度器 （Load Balancer）​

访问整个群集系统的唯一入口，对外使用所有服务器的共有的VIP(虚拟IP)地址，也称之为群集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、一致的文件存储服务，确保整个群集的统一性。共享存储可用使用NAS设备，或者提供NFS共享服务的专用服务器。

LVS负载均衡群集_vim

二、LVS集群的工作模式

​群集的负载调度有三种工作模式：​

  • ​lvs-nat：地址转换（NAT）​
  • ​lvs-dr： 直接路由（DR）​
  • ​lvs-tun：IP隧道​

2.1 ​LVS的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。

2.11 NAT模式 LVS负载均衡部署

负载调度器：配置双网卡 内网：192.168.1.10(ens33)     外网卡：12.0.0.1(ens37)(Vmnet1)

两台WEB服务器集群池：192.168.1.20、192.168.1.30

一台NFS共享服务器：192.168.1.40

客户端：（win10）：12.0.0.100 (Vmnet1)

LVS负载均衡群集_服务器_02

2.12 部署共享存储（NFS服务器：192.168.1.40）

NFS 是一种基于 TCP/IP 传输的网络文件系统协议，最初由 Sun 公司开发。通过使用 NFS 协议，客户机可以像访问本地目录一样访问远程服务器中的共享资源。对于大多数负载均衡 群集来说，使用 NFS 协议来共享数据存储是比较常见的做法，NFS 也是 NAS 存储设备必然支 持的一种协议。

NFS 服务的实现依赖于 RPC（Remote Process Call，远端过程调用）机制，以完成远程 到本地的映射过程。在 CentOS 7 系统中，需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供 NFS 共享服务，前者用于 NFS 共享发布和访问，后者用于 RPC 支持

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
 
2. #安装nfs服务
yum install nfs-utils rpcbind -y
 
3. #新建目录，并创建站点文件
cd /opt/
mkdir kk ka 
echo "this is kk kk " > kk/index.html
echo "this is ka ka" > ka/index.html
 
4. #开启服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
 
5. #授权
chmod -R 777 kk/ ka/
 
6. #设置共享策略
vim /etc/exports
/opt/yxp 192.168.1.0/24(rw,sync)
/opt/dhc 192.168.1.0/24(rw,sync)
 
 
7. #发布服务
systemctl restart nfs
exportfs -rv

LVS负载均衡群集_vim_03

2.13 节点Web服务器

​192.168.1.20​

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld 
setenforce 0
 
2. #安装httpd
yum install -y httpd
 
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.1.40
 
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
mount 192.168.1.40:/opt/ka /var/www/html/
df  -Th
cat /var/www/html/index.html

#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.24.40:/opt/ka/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 
mount -a
 
 
5. #开启httpd服务
systemctl start httpd
 
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 
GATEWAY=192.168.1.10
#DNS1=8.8.8.8
 
7. #重启网络服务
systemctl restart network

LVS负载均衡群集_ip地址_04

LVS负载均衡群集_ip地址_05

LVS负载均衡群集_vim_06

LVS负载均衡群集_服务器_07

​192.168.1.30​

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld 
setenforce 0
 
2. #安装httpd
yum install -y httpd
 
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.24.40
 
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
mount 192.168.1.40:/opt/kk /var/www/html/
df  -Th
cat /var/www/html/index.html

#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.1.40:/opt/kk/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 
mount -a
 
5. #开启httpd服务
systemctl start httpd
 
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 
GATEWAY=192.168.1.10
#DNS1=8.8.8.8
 
7. #重启网络服务
systemctl restart network

LVS负载均衡群集_ip地址_08

LVS负载均衡群集_vim_09

LVS负载均衡群集_服务器_10

2.14 负载调度器

  • ​192.168.1.10（ens33）​
  • ​12.0.0.1（ens37）​

LVS负载均衡群集_服务器_11

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld 
setenforce 0
 
2. #安装ipvsadm
yum install -y ipvsadm
 
 
3. #添加一块网卡，ens37，配置网卡，重启网络
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens37
vim ifcfg-ens37
去掉网关、UUID、修改IP
systemctl restart network
 
4. #打开路由转发功能
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1 
sysctl -p
 
5. #防火墙做策略
#查看策略
iptables -nL -t nat
#清空策略
iptables -F
#添加策略
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.1.0/24 -o ens37 -j SNAT --to 12.0.0.1
#查看策略
iptables -nL -t nat
 
6. #加载LVS内核模块
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
 
7. #开启ipvsadm服务
ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
 
8. #清空策略
ipvsadm -C
 
9. #制定策略
#指定IP地址 外网的入口  -s rr  轮询
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
#先指定虚拟服务器再添加真实服务器地址，-r:真实服务器地址 -m指定nat模式
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.1.20:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.1.30:80 -m
#开启服务
ipvsadm
 
10. 查看策略
ipvsadm -ln

LVS负载均衡群集_vim_12

LVS负载均衡群集_vim_13

LVS负载均衡群集_vim_14

LVS负载均衡群集_ip地址_15

LVS负载均衡群集_vim_16

2.15 Windows客户机

​修改网络 12.0.0.100​

LVS负载均衡群集_ip地址_17

LVS负载均衡群集_vim_18

LVS负载均衡群集_vim_19


2.2 DR直接路由模式

2.21 LVS-DR 工作原理

LVS-DR（Linux Virtual Server Director Server）工作模式，是生产环境中最常用的一 种工作模式。

  • LVS-DR 模式，Director Server 作为群集的访问入口，不作为网关使用
  • 节点 Director Server 与 Real Server 需要在同一个网络中，返回给客户端的数据不需要经过 Director Server。
  • 为了响应对整个群集的访问，Director Server 与 Real Server 都需要配置 VIP 地址。

LVS负载均衡群集_服务器_20

  • 客户机发起请求，经过调度服务器（lvs），经过算法调度，去访问真实服务器（RS）
  • 由于不原路返回，客户机不知道，真实主机的ip地址，
  • 所以只能通过调度服务器的外网ip（vip）去反回报文信息。

2.22 数据包流向分析

  • 客户端发送请求到 Director Server,请求的数据报文（源 IP 是 CIP,目标 IP 是 VIP） 到达内核空间。
  • Director Server 和 Real Server 在同一个网络中，数据通过二层数据链路层来传输。
  • 内核空间判断数据包的目标 IP 是本机 VIP，此时 IPVS 比对数据包请求的服务是否是集群服务，是集群服务就重新封装数据包。修改源 MAC 地址为 Director Server 的 MAC 地址，修改目标 MAC 地址为 Real Server 的 MAC 地址，源 IP 地址与目标 IP 地址没有改 变，然后将数据包发送给 Real Server。
  • 到达 Real Server 的请求报文的 MAC 地址是自身的 MAC 地址，就接收此报文。数 据包重新封装报文(源 IP 地址为 VIP，目标 IP 为 CIP)，将响应报文通过 lo 接口传送给物理 网卡然后向外发出。
  • Real Server 直接将响应报文传送到客户端。

2.23 LVS-DR 模式的特点

  • Director Server 和 Real Server 必须在同一个物理网络中。
  • Real Server 可以使用私有地址，也可以使用公网地址。如果使用公网地址，可以通过 互联网对 RIP 进行直接访问。
  • 所有的请求报文经由 Director Server，但回复响应报文不能经过 Director Server。
  • Real Server 的网关不允许指向 Director Server IP，即不允许数据包经过 Director S erver。
  • Real Server 上的 lo 接口配置 VIP 的 IP 地址。

2.24 ARP问题

IP 地址冲突

​在LVS-DR负载均衡集群中，负载均衡器与节点服务器都要配置相同的VIP地址，在局域网中具有相同的IP地 址。势必会造成各服务器ARP通信的紊乱

  • 当ARP广播发送到LVS-DR集群时，因为负载均衡器和节点服务器都是连接到相同的网络上，它们都会接收到ARP广播
  • 只有前端的负载均衡器进行响应，其他节点服务器不应该响应ARP广播
​解决方法
  • 对节点服务器进行处理，使其不响应针对VIP的ARP请求
  • 用虚接口lo:0承载VIP地址
  • 设置内核参数arp_ ignore=1: 系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求
  1. 路由器发送ARP请求（广播）
  2. ARP---->广播去找ip地址解析成mac地址
  3. 默认使用调度服务器上的外网地址（vip地址）响应，
  4. 需要在真实服务器上修改内核参数
  5. 使真实服务器只对自己服务器上的真实IP地址响应ARP解析。

2.25 第二次再有访问请求

RealServer返回报文（源IP是VIP）经路由器转发，重新封装报文时，需要先获取路由器的MAC地址，发送ARP请求时，Linux默认使用IP包的源IP地址（即VIP）作为ARP请求包中的源IP地址，而不使用发送接口的IP地址，路由器收到ARP请求后，将更新ARP表项，原有的VIP对应Director的MAC地址会被更新为VIP对应RealServer的MAC地址。路由器根据ARP表项，会将新来的请求报文转发给RealServer，导致Director的VIP失效

​解决方法：​

对节点服务器进行处理，设置内核参数arp_announce=2：系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址，而选择发送接口的IP地址

  • 路由器上绑定了 真实服务器1的mac信息，
  • 请求到达真实服务器
  • 在真实服务器上修改内核参数
  • 只对所有服务器真实网卡上的地址进行反馈，解析

2.3 部署LVS-DR集群

2.31 环境简介

  • DR 服务器：192.168.1.40      vip（虚拟回环）：192.168.1.48
  • web 服务器1：192.168.1.20
  • web 服务器2：192.168.1.30
  • 客户端（win 10 ）：192.168.1.100

2.32 配置负载调度器

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
 
2. #安装ipvsadm工具
yum install ipvsadm -y
 
3. #配置虚拟IP地址（VIP：192.168.1.48）
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0
vim ifcfg-ens33:0
#删除UUID，dns与网关，注意子网
NAME=ens33:0
DEVICE=ens33:0
IPADDR=192.168.1.48
NETMASK=255.255.255.255
 
4. #重启网络服务、启动网卡
systemctl restart network
ifup ifcfg-ens33:0
 
5. #调整/proc响应参数   
   #对于 DR 群集模式来说，由于 LVS 负载调度器和各节点需要共用 VIP 地址，应该关闭 Linux 内核的重定向参数响应服务器不是一台路由器，那么它不会发送重定向，所以可以关闭该功能
vi /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0
 
6. #刷新配置
sysctl -p
 
7. #加载模块
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
 
8. #配置负载分配策略，并启动服务
ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
 
9. #清空ipvsadm，并做策略
##添加真实服务器-a  指定VIP地址及TCP端口-t   指定RIP地址及TCP端口 -r 指定DR模式-g
ipvsadm -C
ipvsadm -A -t 192.168.24.48:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.24.48:80 -r 192.168.1.20:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.24.48:80 -r 192.168.1.30:80 -g
 
10. #保存设置
ipvsadm
ipvsadm -ln
ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm

LVS负载均衡群集_vim_21

LVS负载均衡群集_服务器_22

LVS负载均衡群集_vim_23

2.33 第一台Web节点服务器

​192.168.1.20​

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
 
2. #安装httpd、开启服务
yum install httpd -y
systemctl start httpd
 
3. #创建一个站点文件
vim /var/www/html/index.html
this is 20 20 
 
3. #添加回环网卡,修改回环网卡名，IP地址，子网掩码
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0
vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
IPADDR=192.168.1.48
NETMASK=255.255.255.255
NETWORK=127.0.0.0
 
systemctl restart network
 
 
4. #设置路由
route add -host 192.168.1.48 dev lo:0
route -n
 
5. #开机执行命令
vim /etc/rc.d/rc.local 
/usr/sbin/route add -host 192.168.1.48 dev lo:0
 
chmod +x /etc/rc.d/rc.local
 
6. #调整 proc 响应参数
#添加系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求
#系统不使用原地址来设置ARP请求的源地址，而是物理mac地址上的IP
vim /etc/sysctl.conf
 
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.default.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
 
sysctl -p

LVS负载均衡群集_服务器_24

LVS负载均衡群集_vim_25

LVS负载均衡群集_服务器_26

2.34第二台Web节点服务器

192.168.1.30

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld 
setenforce 0
 
2. #安装httpd、开启服务
yum install httpd -y
systemctl start httpd
 
3. #创建一个站点文件
vim /var/www/html/index.html
this is 30 30 
 
3. #添加回环网卡,修改回环网卡名，IP地址，子网掩码
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0
vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
IPADDR=192.168.1.48
NETMASK=255.255.255.255
NETWORK=127.0.0.0
 
systemctl restart network
 
 
4. #设置路由
route add -host 192.168.1.48 dev lo:0
route -n
 
5. #开机执行命令
vim /etc/rc.d/rc.local 
/usr/sbin/route add -host 192.168.1.48 dev lo:0
 
chmod +x /etc/rc.d/rc.local
 
6. #调整 proc 响应参数
#添加系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求
#系统不使用原地址来设置ARP请求的源地址，而是物理mac地址上的IP
vim /etc/sysctl.conf
 
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.default.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
 
sysctl -p

LVS负载均衡群集_ip地址_27

LVS负载均衡群集_vim_28

LVS负载均衡群集_ip地址_29

2.35 客户机测试

LVS负载均衡群集_服务器_30

LVS负载均衡群集_vim_31

LVS负载均衡群集_服务器_32

总结

LVS的NAT模式

LVS的DR模式