LVS负载均衡群集概念

一、群集的含义

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），相当于一台大型计算机。

  1. 群集存在的必要

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，单台服务器无法满足负载均衡及高可用的需求。

  1. 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来达到服务器高可用和负载均衡，并于同一个IP地址对外提供相同服务。

这就是企业中常用的一种群集技术——LVS（Linux Virtual Server ，Linux虚拟服务器）。

二、群集可分为三种

根据集群针对的目标差异，可分为三种

  • 负载均衡群集
  • 高可用群集
  • 高性能群集
  1. 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。
  1. 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。

  1. 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。

三、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。

四、负载均衡群集工作模式分析

  1. 负载均衡群集是目前企业用得最多的群集类型
  2. 群集的负载调度技术有3种工作模式
  • 地址转换（NAT模式）
  • IP隧道 （TUN模式）
  • 直接路由（DR模式）

五、三种负载调度工作模式

  1. 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
  1. 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
  1. 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

六、LVS虚拟服务器

  1. 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
  1. 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。
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs    #确认内核对LVS的支持

七、LVS的负载调度算法

  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 加权最少连接(Weighted L east 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

八、ipvsadm工具

ipvsadm功能与选项说明

选项

功能

-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

九、NAT模式LVS负载均衡群集部署

LVS调度器作为Web 服务器池的网关，LVS具有两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr）调度算法

  1. 部署共享存储（NFS服务器：192.168.184.20）
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

yum -y install nfs-utils rpcbind

systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir /opt/wt
mkdir /opt/1

chmod 777 /opt/wt 
chmod 777 /opt/1

vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/wt 192.168.86.0/24(rw,sync)
/opt/1 192.168.86.0/24(rw,sync)

exportfs -rv
  1. 配置节点服务器
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

yum install httpd -y
systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service

yum -y install nfs-utils rpcbind
showmount -e 192.168.86.20

systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

web1

mount.nfs 192.168.86.20:/opt/wt /var/www/html
echo 'this is wt web!' > /var/www/html/index.html

web2

mount.nfs 192.168.86.20:/opt/1 /var/www/html
echo 'this is 1 web!' > /var/www/html/index.html
  1. 配置负载调度器
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
  • 配置SNAT转发规则
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
或
echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl -p

iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.86.0/24 -o ens37 -j SNAT --to-source 12.0.0.1
  • 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
  • 安装ipvsadm 管理工具
yum -y install ipvsadm
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm

systemctl start ipvsadm.service
  • 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 192.168.86.30:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.86.40:80 -m
ipvsadm						#启用策略

ipvsadm -ln					#查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm						#保存策略
  1. 测试