前言
- 在各种互联网应用中，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，单台服务器将难以承担所有的访问（即负载均衡及高可用性的要求）
- 除了使用价格昂贵的大型机、专用负载分流设备外，企业还有另外一种选择来解决难题，那就是构建集群服务器——通过整合多台对廉价的普通服务器，以同一个地址对外提供相同的服务
- 接下来我们将要学习在企业中常用的一种集群技术——LVS（Linux Virtual Server，Linux 虚拟服务器）
一、LVS 群集应用基础
群集（或集群）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几何体，以区分于单个服务器
1.群集技术概述
- 根据企业实际环境的不同，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
- 然而从整体上看，需要先了解一些关于群集的共性特征，这样才能在构建和维护群集的工作中做到心中有数，避免操作上的盲目西行
1.1 群集的分类
- 无论哪种群集，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（域名或IP系统）
- 根据群集所针对的目标差异，可分为以下三种类型：
1.1.1 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
- 例如，“DNS轮询”“应用层交换”“反向代理”等都可用做负载均衡群集
- 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
1.1.2 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
- 例如，“故障切换”“双机热备”等都是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
1.1.3 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
1.2 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端的访问请求
- 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，所有节点统一使用共享存储设备
1.2.1 第一层 负载调度器
- 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
1.2.2 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 地址（Real IP，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
1.2.3 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
- 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
1.3 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 的负载均衡中，常见的有地址转换、IP 隧道和直接路由三种工作模式：
1.3.1 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
1.3.2 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
1.3.3 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，从而称为最已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是采用这种方式；相比较而言，DR 模式和 TUN 模式的负载能力更加强大、使用范围更广，但节点的安全性要稍差一些
2. LVS 虚拟服务器
- Linux Virtual Server（LVS）是针对 Linux 内核开发的负载均衡解决方案，由我国的章文嵩博士在1998年5月创建，官网站点位于 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 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 #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
2.1 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，其中最常见的四种算法包括轮询、加权轮询、最少连接和加权最少连接
2.1.1 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
2.1.2 加权轮询（Weighted Round Robin）：
- 根据真实服务器的处理能力轮流分配收到的访问请求
- 调度器可以自动查询各节点的负载情况，并动态调整其权重
- 这样可以保证处理能力强的服务器承担更多的访问流量
2.1.3 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的均衡负载
2.1.4 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
- 权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载
2.2 使用 ipvsadm 管理工具
- ipvsadm 是在负载调度器上使用的 LVS 群集管理工具，通过调用 ip_vs 模块来添加、删除服务器节点，以及查看群集的运行状态
2.2.1 安装
在 CentOS 7 系统中，需要手动安装此软件包
[root@localhost ~]# yum -y install ipvsadm
...
...
已安装:
ipvsadm.x86_64 0:1.27-7.el7
完毕！
[root@localhost ~]# ipvsadm -v
ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)
2.2.2 操作方法
LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、删除服务器节点和保存负载分配策略
| 常用选项 | 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 |
2.2.3 示例
- 管理虚拟服务
#添加一个虚拟服务192.168.1.100:80，使用轮询算法
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr
#修改虚拟服务的算法为加权轮询
ipvsadm -E -t 192.168.1.100:80 -s wrr
#删除虚拟服务
ipvsadm -D -t 192.168.1.100:80
- 管理真实服务
#添加一个真实服务器192.168.1.123，使用DR模式，权重2
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.123 -g -w 2
#修改真实服务器的权重
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.123 -g -w 5
#删除真实服务器
ipvsadm -d -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.123
- 查看统计
#查看当前配置的虚拟服务和各个RS的权重
ipvsadm -Ln
#查看当前ipvs模块中记录的连接（可用于观察转发情况）
ipvsadm -lnc
#查看ipvs模块的转发情况统计
ipvsadm -Ln --stats | --rate
二、构建 LVS-NAT 负载均衡群集
地址转换模式（LVS-NAT）
1.准备
1.1 概述
- 在 NAT 模式的群集中，LVS 负载调度器是所有节点访问 Internet 的网关服务器，同时也作为整个群集的 VIP 地址
- LVS 调度器具有两块网卡，分别连接内外网
- 对于 LVS 负载均衡调度器来说，需使用 iptables 为出站响应配置 SNAT 转发规则，以便节点服务器能够访问 Internet
- 所有的节点服务器、共享存储均位于私有网络内，其默认网关设为 LVS 负载调度器的内网地址
1.2 环境
- 本实验共布设五台虚拟机，详情如下：
客户端（Win10）：12.0.0.12
负载调度器（CentOS 7-1）：内网关 ens33：192.168.126.11，外网关 ens32：12.0.0.1
Web节点服务器1（CentOS 7-2）：192.168.126.12
Web节点服务器2（CentOS 7-3）：192.168.126.13
NFS服务器（CentOS 7-4）：192.168.126.14宿主机：Windows 10 专业工作站版本
VWware 16 Pro（16.1.0）
CentOS7
虚拟机网络适配器均为 NAT 模式
网卡配置均为静态获取
本地 YUM 源仓库
2.部署 NFS 共享存储
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
#安装nfs共享所需软件包及开启nfs功能
yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start nfs.service
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service
#给予共享文件最大权限
mkdir /opt/xcf /opt/zxc
chmod 777 /opt/xcf /opt/zxc
#给共享文件输出内容，以作网站首页内容
cd /opt/xcf
echo 'Hello xcf' > index.html
cd /opt/zxc
echo 'Hello zxc' > index.html
vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/xcf 192.168.126.0/24(rw,sync)
/opt/zxc 192.168.126.0/24(rw,sync)
#发布共享
exportfs -rv
showmount -e
3.配置节点服务器
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
yum -y install httpd
systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service
yum -y install nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable rpcbind.service
systemctl start nfs.service
systemctl enable nfs.service
showmount -e 192.168.126.14
mount 192.168.126.14:/opt/xcf /var/www/html
cd /var/www/html/
ls
cat index.html
vim /etc/fstab
192.168.126.14:/opt/xcf /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
- 另一台节点服务器同上，注意区分两个不同的共享文件夹
4.配置负载调度器
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
#添加一块网卡后开机
ifconfig ens32 12.0.0.1/24
4.1 配置SNAT转发规则
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
sysctl -p
#先清空iptables规则
iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.126.0/24 -o ens32 -j SNAT --to-source 12.0.0.1
4.2 加载LVS内核模块
#加载ip_vs模块
modprobe ip_vs
#查看ip_vs版本信息
cat /proc/net/ip_vs
4.3 安装ipvsadm管理工具
yum install -y ipvsadm
#启动服务前须保存负载分配策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
4.4 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）
#清除原有策略
ipvsadm -C
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.126.12:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.126.13:80 -m -w 1
#启用策略
ipvsadm
#查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm -ln
#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
4.5 注意
两台作负载均衡的主机，记得把网关都指向调度器的网关
4.6 补充
#删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.126.12:80 -m [-w 1]
#删除整个虚拟服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80
#停止服务（清除策略）
systemctl stop ipvsadm
#启动服务（重建规则）
systemctl start ipvsadm
#恢复LVS 策略
ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm
5.测试 LVS 集群
-
打开 Win10 修改网络适配器，测试机的网关要指向调度器的的网关
-
打开浏览器，访问 http:/12.0.0.1 ，将能够看到由真实服务器提供的网页内容——如果各节点的网页不同，则不同客户机看到的网页可能也不一样（需多刷新几次，间隔需多等待一会儿）
-
在 LVS 负载调度器中，通过查看节点状态可以观察当前的负载分配情况，对于轮询算法来说，每个节点所获得的连接负载应大致相同
