引言

  在现代信息技术和互联网高速发展的背景下，网络服务的高可用性和稳定性成为了企业和组织的基本需求。随着用户数量和访问量的不断增加，单一服务器已难以承受巨大的访问压力，这就催生了负载均衡技术的发展。负载均衡是一种将负载分摊到多个服务器上的技术，以提高网站、应用程序或服务的响应速度和处理能力，并确保系统的高可用性。

  Linux Virtual Server（LVS）是一个开源的负载均衡解决方案，它通过将用户请求分发到多个后端服务器来实现高性能和高可用性的服务集群。LVS作为Linux内核的一部分，利用了Linux强大的网络处理能力和灵活性，能够在较低的成本下提供高效的负载均衡服务。


什么是LVS？

LVS，全称Linux Virtual Server，是由章文嵩博士于1998年开发的一个负载均衡软件。LVS的核心思想是通过一个虚拟服务器（即负载均衡器）将用户的请求分发到多个真实服务器上进行处理，从而实现负载均衡和高可用性。LVS主要包括两个部分：负载均衡调度器和真实服务器集群。


LVS的主要功能

  1. 负载均衡调度：LVS调度器负责接收客户端请求，并按照一定的算法将请求分发到后端的真实服务器上。常用的调度算法包括轮询、最小连接、加权最小连接等。
  2. 健康检查：LVS可以定期检查后端服务器的健康状态，确保只有正常运行的服务器参与负载均衡。如果某个服务器出现故障，LVS会自动将其从集群中移除，以避免影响整体服务的稳定性。
  3. 高可用性：通过配置冗余的LVS调度器，LVS可以实现高可用性。如果主调度器出现故障，备用调度器可以迅速接管，从而保证服务的连续性。

LVS的优势

  • 高性能：LVS基于内核实现，性能优于基于用户态实现的负载均衡解决方案。它能够处理大规模的并发请求，适用于高流量的网站和应用。
  • 灵活性：LVS支持多种负载均衡算法和模式，可以根据具体需求进行灵活配置。此外，LVS与各种Linux发行版兼容，易于部署和维护。
  • 成本效益：LVS是一个开源软件，无需购买昂贵的商业负载均衡器。通过LVS，可以充分利用现有的服务器资源，降低硬件成本。

LVS在企业中的应用

  LVS广泛应用于各类需要高可用性和高性能的场景，如电子商务网站、金融交易系统、在线游戏、视频点播等。在这些场景中，LVS能够有效提升系统的响应速度和处理能力，确保服务的稳定性和连续性。


一、LVS负载均衡群集概述

1.1 LVS简介

LVS（Linux Virtual Server）是一个用于Linux系统的开源负载均衡解决方案，由章文嵩博士于1998年创建。LVS通过虚拟服务器技术，将用户请求分发到多个后端服务器上，从而提高系统的处理能力和可用性。LVS不仅能实现高性能的负载均衡，还具备易于配置和管理的特点，是目前广泛应用于各种企业级系统中的重要技术之一。

1.2 LVS的工作原理

LVS的工作原理基于网络地址转换（NAT）、直接路由（DR）和隧道（TUN）三种模式。每种模式都有其独特的特点和应用场景：

  • NAT模式：所有请求都通过负载均衡器进行处理，适用于小规模的网络环境。
  • DR模式：请求由负载均衡器进行分发，但响应直接从后端服务器返回客户端，适用于大规模的网络环境。
  • TUN模式：请求通过隧道传输，适用于地理分布广泛的服务器群集。

1.3 LVS架构组成

LVS的架构主要由以下几个组件组成：

  • Director Server：也称为负载均衡器，负责接收并分发用户请求。
  • Real Server：实际处理用户请求的后端服务器。
  • IPVS：IP Virtual Server，是LVS的核心组件，负责执行具体的负载均衡调度算法。
  • Keepalived：用于实现高可用性，通过监控和故障切换，确保系统的连续运行。

1.4 LVS的负载均衡算法

LVS支持多种负载均衡算法，以满足不同的应用需求。常用的算法包括：

  • 轮询调度（Round Robin）：依次将请求分发到每个服务器。
  • 加权轮询调度（Weighted Round Robin）：根据服务器的性能和负载能力分配请求。
  • 最少连接调度（Least Connection）：将请求分配给当前连接数最少的服务器。
  • 加权最少连接调度（Weighted Least Connection）：在最少连接的基础上考虑服务器的性能和负载能力。

1.5 LVS的优缺点

优点：

  • 高性能：LVS基于Linux内核实现，具有高效的网络处理能力。
  • 高可用性：通过Keepalived等工具，LVS可以实现高可用性和故障切换。
  • 灵活性：支持多种负载均衡算法和模式，适应不同的网络环境和应用需求。
  • 开源免费：LVS是开源软件，无需购买昂贵的商业负载均衡器。

缺点：

  • 配置复杂：LVS的配置相对复杂，需要具备一定的Linux系统和网络知识。
  • 维护难度：由于涉及多种组件的协同工作，LVS的维护和故障排除需要专业的技术支持。

1.6 LVS在企业中的应用

LVS广泛应用于各类需要高可用性和高性能的场景，包括电子商务网站、金融交易系统、在线游戏和视频点播等。在这些场景中，LVS能够有效提升系统的响应速度和处理能力，确保服务的稳定性和连续性。例如：

  • 电子商务网站：在促销活动期间，用户访问量激增，LVS通过将请求分发到多个后端服务器，确保网站的稳定运行。
  • 金融交易系统：金融交易系统对高可用性和低延迟有严格要求，LVS能够提供高效的负载均衡，保障交易的顺利进行。
  • 在线游戏：在线游戏需要处理大量并发请求，LVS能够提升服务器的处理能力，提供流畅的游戏体验。

二、LVS负载均衡架构

  LVS负载均衡架构是一个高度可扩展和灵活的系统，能够通过多个组件协同工作来实现高性能和高可用性的负载均衡服务。以下是LVS负载均衡架构的详细内容：

2.1 架构组成

LVS负载均衡架构主要包括以下几个关键组件：

  • Director Server（调度器服务器）：这是LVS架构的核心组件，负责接收客户端的请求并根据负载均衡算法将其分发到后端的真实服务器（Real Server）。Director Server本身不处理请求，只负责请求的分发。
  • Real Server（真实服务器）：这些服务器负责实际处理客户端的请求。Real Server可以是物理服务器或虚拟服务器，通常位于内网中，受到Director Server的控制。
  • IPVS（IP Virtual Server）：这是LVS的核心模块，工作在内核态，负责执行负载均衡调度算法。IPVS可以实现多种负载均衡模式，如NAT、DR和TUN模式。
  • Keepalived：这是一个用于实现高可用性的守护进程，通过监控Director Server的健康状态和执行故障切换来确保系统的连续运行。

2.2 LVS工作模式

LVS支持三种主要的工作模式，每种模式在实现负载均衡时有不同的特点和应用场景：

  • NAT模式（Network Address Translation）：
  • 工作原理：所有客户端请求和服务器响应都经过Director Server。Director Server将客户端的请求地址转换为Real Server的地址，并在响应时将Real Server的地址转换回客户端地址。
  • 优点：实现简单，适用于小规模网络。
  • 缺点：Director Server成为性能瓶颈，因所有流量都要经过它。
  • DR模式（Direct Routing）：
  • 工作原理：客户端请求通过Director Server分发到Real Server，但服务器响应直接返回客户端。Real Server和Director Server需要在同一局域网内。
  • 优点：效率高，Director Server仅处理请求，不处理响应，减少了负载。
  • 缺点：配置复杂，需要Real Server和Director Server在同一网络环境中。
  • TUN模式（IP Tunneling）：
  • 工作原理：客户端请求通过隧道传输到Real Server，Real Server直接响应客户端。适用于地理上分布广泛的服务器。
  • 优点：适合大规模、分布式系统。
  • 缺点：实现复杂，需要支持IP隧道的网络环境。

2.3 LVS负载均衡算法

LVS提供多种负载均衡算法，以满足不同应用场景的需求。以下是几种常用的负载均衡算法：

  • 轮询调度（Round Robin）：按照顺序将请求依次分发到每个Real Server，适用于性能和负载均衡的场景。
  • 加权轮询调度（Weighted Round Robin）：根据每个服务器的权重分配请求，适用于服务器性能差异较大的情况。
  • 最少连接调度（Least Connection）：将请求分配给当前连接数最少的服务器，适用于长连接的应用。
  • 加权最少连接调度（Weighted Least Connection）：在最少连接的基础上考虑服务器的权重，适用于需要精细化负载均衡的场景。

2.4 LVS的高可用性设计

LVS通过Keepalived等工具实现高可用性设计。Keepalived通过VRRP（虚拟路由冗余协议）监控Director Server的状态，并在主服务器发生故障时自动切换到备用服务器，从而保证服务的连续性。Keepalived的主要功能包括：

  • 健康检查：定期检查Director Server和Real Server的健康状态，确保只有正常运行的服务器参与负载均衡。
  • 故障切换：在检测到故障时，自动将流量切换到备用服务器，保证服务不中断。
  • 配置简化：通过简单的配置文件，用户可以轻松实现高可用性架构。

2.5 LVS的扩展性

LVS具有良好的扩展性，可以通过增加Real Server来应对增加的负载。以下是LVS扩展性的一些特点：

  • 水平扩展：可以通过添加更多的Real Server来提高处理能力，无需对现有系统进行大规模改动。
  • 动态扩展：支持在运行时动态添加或移除Real Server，方便灵活应对负载变化。
  • 无单点故障：通过Keepalived等工具，实现Director Server的冗余配置，避免单点故障对系统的影响。

  综上所述，LVS负载均衡架构通过多个组件的协同工作，实现了高性能、高可用性和高扩展性的负载均衡服务。了解和掌握LVS的架构和工作原理，有助于企业在实际应用中充分发挥LVS的优势，提高系统的稳定性和处理能力。

三、LVS负载均衡模式

  LVS负载均衡模式是LVS架构中的核心部分，不同的负载均衡模式决定了请求和响应的处理方式。LVS主要支持三种模式：NAT（Network Address Translation，网络地址转换）、DR（Direct Routing，直接路由）和TUN（IP Tunneling，IP隧道）。每种模式有其独特的优点和适用场景，下面详细介绍这三种模式。

3.1 NAT模式

NAT模式，即网络地址转换模式，是最常用的LVS负载均衡模式之一。它的工作原理是将客户端请求的目标地址转换为Real Server的地址，并将Real Server的响应地址转换为负载均衡器的地址。具体步骤如下：

  1. 请求转发：客户端请求到达Director Server，Director Server根据负载均衡算法选择一个Real Server，并将请求的目标地址修改为该Real Server的地址。
  2. 地址转换：Real Server处理请求后，将响应发回Director Server，Director Server将响应的源地址修改为负载均衡器的地址，再将响应发回客户端。

优点：

  • 实现简单，适合小规模网络。
  • 客户端和服务器之间的通信由Director Server全权负责，安全性较高。

缺点：

  • Director Server成为性能瓶颈，因为所有流量都要经过它处理。
  • 不适合大规模、高流量的环境。

3.2 DR模式

DR模式，即直接路由模式，是另一种常用的LVS负载均衡模式。它的工作原理是将客户端请求直接分发到Real Server，而响应则由Real Server直接返回给客户端。具体步骤如下：

  1. 请求转发：客户端请求到达Director Server，Director Server根据负载均衡算法选择一个Real Server，并将请求的目标MAC地址修改为该Real Server的MAC地址。
  2. 直接响应：Real Server处理请求后，直接将响应发回客户端，而不经过Director Server。

优点：

  • Director Server仅处理请求，不处理响应，极大地减轻了负载。
  • 适用于大规模、高流量的环境。

缺点：

  • Real Server和Director Server必须在同一局域网内，限制了地理分布的灵活性。
  • 配置较为复杂，需要对网络配置进行较多调整。

3.3 TUN模式

TUN模式，即IP隧道模式，是LVS支持的第三种负载均衡模式。它的工作原理是通过IP隧道将客户端请求传输到Real Server，而响应则由Real Server直接返回给客户端。具体步骤如下：

  1. 请求转发：客户端请求到达Director Server，Director Server根据负载均衡算法选择一个Real Server，并通过IP隧道将请求传输给该Real Server。
  2. 直接响应：Real Server处理请求后，直接将响应发回客户端，而不经过Director Server。

优点：

  • 适用于地理分布广泛的服务器集群，支持跨地域负载均衡。
  • Director Server仅处理请求，不处理响应，减轻了负载。

缺点：

  • 实现复杂，需要支持IP隧道的网络环境。
  • 配置和维护成本较高，对网络基础设施要求较高。

3.4 LVS负载均衡模式的选择

在选择LVS负载均衡模式时，需要综合考虑网络环境、系统性能和安全性要求等因素：

  • 小规模网络和安全性要求高的场景：优先选择NAT模式，因其实现简单且能较好地隔离内外网络。
  • 大规模、高流量的网络环境：优先选择DR模式，以减轻Director Server的负载，提升系统性能。
  • 跨地域分布的服务器集群：优先选择TUN模式，以实现跨地域的负载均衡和高效的数据传输。

  综上所述，LVS通过三种负载均衡模式，为不同应用场景提供了灵活且高效的解决方案。理解和掌握这三种模式的工作原理和适用场景，有助于在实际应用中选择最合适的负载均衡模式，从而提升系统的稳定性和性能。


四、LVS负载均衡配置

地址转换模式（LVS-NAT）

1：实验环境：

注意：各web节点需要设置网关，NFS不需要 

LVS负载均衡群集_LVS

2：配置负载调度器（101）

[root@localhost ~]# setenforce 0

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld

[root@localhost ~]# yum -y install ipvsadm

[root@localhost ~]# ipvsadm -v

ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)

[root@localhost ~]# vi /etc/sysctl.conf  
net.ipv4.ip_forward = 1

[root@localhost ~]# sysctl -p

[root@localhost ~]# ipvsadm -C

[root@localhost ~]# ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s rr

[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.10.102:80 -m -w 1

[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.10.103:80 -m -w 1

[root@localhost ~]# ipvsadm-save

-A -t localhost.localdomain:http -s rr

-a -t localhost.localdomain:http -r 192.168.10.102:http -m -w 1

-a -t localhost.localdomain:http -r 192.168.10.103:http -m -w 1

[root@localhost ~]# systemctl enable ipvsadm
注释：
-s：指定调度算法
rr：轮询
wrr：加权轮询
lc：最小链接数
wlc：加权最小连接数
-A    添加一个新的集群服务；
-E    修改一个己有的集群服务；
-D    删除指定的集群服务；
-a    向指定的集群服务中添加RS及属性；
-e    修改RS属性；
-t    指定为tcp协议；
-u    指定为udp协议；
-s    调度方法，默认为wlc；
-w    指定权重，默认为1；
-g    Gateway, DR模型；
-i    ipip, TUN模型；
-m    masquerade, NAT模型；
-S    保存ipvsadm设定的规则策略，默认保存在/etc/sysconfig/ipvsadm中；
-R    载入己保存的规则策略，默认加载/etc/sysconfig/ipvsadm；
-C    清除所有集群服务；
-Z    清除所有记数器；
-L    显示当前己有集群服务，能通过相应的options查看不同状态信息；
-r          指定真实服务器的地址

例如：
删除群集
[root@localhost ~]# ipvsadm -D -t 192.168.10.172:80  
删除某个real server
[root@localhost ~]# ipvsadm -d -t 192.168.10.172:80 -r 192.168.10.103
3：配置web节点服务器

（1）在两个web节点安装httpd，并创建测试页

[root@localhost ~]# yum -y install httpd
[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld 
[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# yum -y install nfs-utils
[root@localhost ~]# vi /var/www/html/index.html
LVS test1
注意：
另一台web节点的测试页面可以修改为其他文字，这样在测试时，就可以看到调度效果
vi /var/www/html/index.html
LVS test2

（2）启动httpd服务 

[root@localhost ~]# systemctl start httpd
[root@localhost ~]# systemctl enable httpd
4：测试LVS群集

客户端测试网站http://172.16.16.172

可以刷新页面，观察页面的变化，是否在多个web站点中实现负载均衡

5：在LVS上产看调度信息
[root@localhost ~]# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  172.16.16.172:80 rr
-> 192.168.10.102:80              Masq    1      0          0         
-> 192.168.10.103:80              Masq    1      0          0
注释：
ActiveConn是活动连接数,也就是tcp连接状态的ESTABLISHED
InActConn是指除了ESTABLISHED以外的,所有的其它状态的tcp连接

备注：共有十个连接状态，常见的如下
LISTENING状态
服务启动后首先处于侦听（LISTENING）状态。

ESTABLISHED状态
ESTABLISHED的意思是建立连接。表示两台机器正在通信。

CLOSE_WAIT
对方主动关闭连接或者网络异常导致连接中断，这时我方的状态会变成CLOSE_WAIT 此时我方要调用close()来使得连接正确关闭

TIME_WAIT
我方主动调用close()断开连接，收到对方确认后状态变为TIME_WAIT。

SYN_SENT状态
　 　SYN_SENT状态表示请求连接，当你要访问其它的计算机的服务时首先要发个同步信号给该端口，此时状态为SYN_SENT，如果连接成功了就变为ESTABLISHED
6：linux做客户端时可以用以下代码进行测试
[root@localhost ~]# for i in $(seq 10);do curl 172.16.16.172;done

NFS共享存储服务

1：使用NFS发布共享资源

（1）安装nfs-utils、rpcbind软件包 

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld  
[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# yum -y install nfs-utils rpcbind
[root@localhost ~]# systemctl enable nfs
[root@localhost ~]# systemctl enable rpcbind

（2）设置共享目录

[root@localhost ~]# mkdir -p /opt/wwwroot
[root@localhost ~]# vi /etc/exports
/opt/wwwroot   192.168.10.0/24(rw,sync,no_root_squash)

可以同时发布多个目录，并且可以为不同的客户端设置不同的访问权限

备注：
Ø rw 可读写的权限 
Ø ro 只读的权限 
Ø no_root_squash登入NFS主机，使用该共享目录时相当于该目录的拥有者，如果是root的话，那么对于这个共享的目录来说，他就具有root的权限，这个参数极不安全，不建议使用
Ø root_squash 登入NFS主机，使用该共享目录时相当于该目录的拥有者。但是如果是以root身份使用这个共享目录的时候，那么这个使用者（root）的权限将被压缩成为匿名使用者，即通常他的UID与GID都会变成nobody那个身份
Ø all_squash 不论登入NFS的使用者身份为何，他的身份都会被压缩成为匿名使用者，通常也就是nobody
Ø sync资料同步写入到内存与硬盘当中
Ø async 资料会先暂存于内存当中，而非直接写入硬盘 
Ø insecure 允许从这台机器过来的非授权访问

（3）启动NFS服务程序

[root@localhost ~]# systemctl start rpcbind
[root@localhost ~]# systemctl start nfs
[root@localhost ~]# netstat -anpt | grep rpc
tcp        0      0 0.0.0.0:20048     0.0.0.0:*               LISTEN      44153/rpc.mountd    
tcp        0      0 0.0.0.0:50661     0.0.0.0:*               LISTEN      7511/rpc.statd      
tcp6       0      0 :::20048          :::*                    LISTEN      44153/rpc.mountd    
tcp6       0      0 :::54742          :::*                    LISTEN      7511/rpc.statd

（4）查看本机发布的NFS共享目录

[root@localhost ~]# showmount -e
Export list for localhost.localdomain:
/opt/wwwroot 192.168.7.0/24
/var/ftp/pub 192.168.10.173,192.168.7.172

（5）在web节点挂载nfs

[root@localhost ~]#yum -y install nfs-utils
[root@localhost ~]# mount -t nfs 192.168.10.105:/opt/wwwroot /var/www/html
2：在nfs上创建测试网页
[root@localhost ~]# vi /var/www/html/index.html
LVS test
3：linux做客户端时可以用一下代码进行测试
[root@localhost ~]# for i in $(seq 10);do curl 172.16.16.172;done