LVS负载均衡群集

原创

Qjc2002 2024-07-03 11:22:55 ©著作权

文章标签 服务器 IP 负载均衡 文章分类 运维

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一、 LVS 群集应用基础

群集的称呼来自于英文单词“Cluster”，表示一群、一串的意思，用在服务器领域则表示大量服务器的集合体，以区分于单个服务器。

1.1 群集技术概述

根据实际企业环境的不同，群集所提供的功能也各不相同，采用的技术细节也可能各有千秋。然而从整体上来看，需要先了解一些关于群集的共性特征，才能在构建和维护群集的工作中做到心中有数，避免操作上的盲目性。

1.群集的类型

无论是哪种群集，都至少包括两台节点服务器，而对外表现为一个整体，只提供一个访问入口。根据群集所针对的目标差异，可分为以下三种类型。

负载均衡群集(Load Balance Cluster):以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、高负载的整体性能。例如,“DNS轮询”“应用层交换”“反向代理”等都可用作负载均衡群集。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。
高可用群集(High Availability Cluster):以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。例如，“故障切换”“双机热备”“多机热备”等都属于高可用群集技术。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。
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。例如,“云计算”“网格计算”也可视为高性能运算的一种。高性能运算群集的高性能依赖于“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。

不同类型的群集在必要时可以合并，如高可用的负载均衡群集。

2.负载均衡的分层结构

在典型的负载均衡群集中，包括三个层次的组件。前端至少有一个负载调度器(Load Balancer，或称为 Director)负责响应并分发来自客户机的访问请求;后端由大量真实服务器(Real Server)构成服务器池(Server Pool)，提供实际的应用服务,整个群集的伸缩性通过增加、删除服务器节点来完成，而这些过程对客户机是透明的;为了保持服务的一致性，所有节点使用共享存储设备。

第一层，负载调度器:这是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(Virtual IP，虚拟 IP)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:群集所提供的应用服务(如HTTP、FTP)由服务器池承担，其中每个节点具有独立的 RIP(Real IP，真实 IP)地址，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: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。在 Linux/UNIX 环境中，共享存储可以使用 NAS 设备，或者提供 NFS(Network File System，网络文件系统)共享服务的专用服务器

3.负载均衡的工作模式

关于群集的负载调度技术，可以基于 IP、端口、内容等进行分发，其中基于IP的负载调度是效率最高的。基于IP的负载均衡模式中，常见的有地址转换IP 隧道和直接路由三种工作模式。

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。
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。
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。

以上三种工作模式中，NAT方式只需要一个公网 IP地址，从而成为最易用的一种负载均衡模式，安全性也比较好，许多硬件负载均衡设备就采用这种方式。相比较而言，DR 模式和 TUN 模式的负载能力更加强大，适用范围更广，但节点的安全性要稍差一些。

1.2 LVS虚拟服务器

Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目，由我国的章文嵩博士在 1998 年5月创建，官方站点位于 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 ip_vs 模块，必要时能够自动调用。在 Cent0s 7系统中，以下操作可以手动加载 ip_vs 模块，并査看当前系统中 ip_vs 模块的版本信息。

[root@localhost ~]# modprobe ip_vs //加载 ip_vs 模块
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs //查看 ip_ vs 版本信息
IP Virtual 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

针对不同的网络服务和配置需要，LVS 调度器提供多种不同的负载调度算法，其中最常用的四种算法是轮询、加权轮询、最少连接和加权最少连接。

轮询(RoundRobin):将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点，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。
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并且分配的请求越多,这样可以保证性能高的节点承担更多请求。
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。如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好地均衡负载。
加权最少连接(Weighted Least Connections):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，权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载。

二、构建LVS负载均衡群集

2.1 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_IP

2.配置负载调度器

[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

2.2 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：

rw 可读写的权限
ro 只读的权限
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
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
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
sync资料同步写入到内存与硬盘当中
async 资料会先暂存于内存当中，而非直接写入硬盘
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