LVS负载均衡原理、NAT模式LVS负载均衡实战部署（图文详解！）

LVS负载均衡原理、NAT模式LVS负载均衡实战部署（图文详解！）

一、群集技术

1.群集的含义

所谓群集，也被称为集群（Cluster）。是由多台主机构成，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。

在实际应用中，在 Web 服务器集群之前总会有一台负载均衡服务器，负载均衡设备的任务就是作为 web 服务器流量的入口，挑选最合适的一台web服务器，将客户端的请求转发给它处理，实现客户端到真实服务端的透明转发。
LVS、Nginx、HAProxy 是目前使用最广泛的三种软件负载均衡软件。

2.适用场景

对负载均衡的使用一般是随着网站规模的提升根据不同的阶段来使用不同的技术。
如果是中小型的 Web 应用，比如日 PV 小于1000万，用 Nginx 就完全可以了。
如果机器不少，可以用 DNS 轮询，LVS 所耗费的机器还是比较多的。
大型网站或重要的服务，且服务器比较多时，可以考虑用 LVS。
目前关于网站架构一般比较合理流行的架构方案：Web 前端采用 Nginx/HAProxy+Keepalived 作负载均衡器；后端采用 MySQ L数据库一主多从和读写分离，采用 LVS+Keepalived 的架构。

3.群集存在的意义

3.1问题的出现

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，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用性的要求。

3.2解决方法

方法一：使用价格昂贵的小型机、大型机。（花费高）
方法二：使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。（花费低）

大部分企业都选择方法二整合多台服务器，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。而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）。

注：第一种为纵向扩容，第二种为横向扩容。

二.群集的类型

1.根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型

负载均衡群集
高可用群集
高性能运算群集

2.三种群集概述

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、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。

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
• 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。

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。

三、负载均衡群集架构

1.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。

2.LVS 负载均衡机制

• LVS 是四层负载均衡，即建立在 OSI 模型的第四层——传输层之上，传输层上有我们熟悉的 TCP/UDP，LVS 支持 TCP/UDP
  的负载均衡。
• 因为 LVS 是四层负载均衡，因此它相对于其它高层负载均衡的解决办法，比如 DNS域名轮流解析、应用层负载的调度、客户端的调度等，它的效率是非常高的。

3.负载均衡群集工作模式分析

• 负载均衡群集是目前企业用得最多的群集类型
• 群集的负载调度技术有3种工作模式，模式如下

3.1 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

3.2 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

3.3DR 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

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是采用这种方式；
• 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。

四、关于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

2.LVS的重要性

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。

#加载ip_va模块
modprobe ip_vs
#确认内核对LVS的支持
cat /proc/net/ip_vs

3.LVS管理工具：ipvsadm

ipvsadm功能与选项说明

选项	功能/作用
-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

4.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

2）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

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

4）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

五、LVS负载均衡NAT模式群集部署

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

环境部署

主机	操作系统	IP地址	所需工具/服务
负载调度器	CentOS7 7-2	内网关：192.168.2.4 外网关：12.0.0.1	ipvsadm
NFS服务器	CentOS7 7-3	192.168.2.5	rpcbind、nfs-utils
Web节点服务器1	CentOS7 7-4	192.168.2.6	rpcbind、nfs-utils、httpd
Web节点服务器2	CentOS7 7-5	192.168.2.7	rpcbind、nfs-utils、httpd
客户端	Windows10	12.0.0.10

注意：负载调度器网关可设置为自身IP或不设置，服务器和客户机的网关都要设置，地址为负载调度器的内外网关地址。（跨网段访问必须要网关）

1.部署 NFS 共享存储

CentOS7-3 192.168.2.5

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/test1
mkdir /opt/test2

chmod 777 /opt/test1
chmod 777 /opt/test2

vim /etc/exports
/opt/test1 192.168.2.0/24(rw,sync)
/opt/test2 192.168.2.0/24(rw,sync)

exportfs -rv

2.配置节点服务器

Web1服务器：CentOS7-4 192.168.2.6

Web2服务器：CentOS7-5 192.168.2.7

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

systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

showmount -e 192.168.2.5

Web1服务器：CentOS7-4 192.168.2.6

mount.nfs 192.168.2.5:/opt/test1 /var/www/html
df -h
echo 'this is test1 web!' > /var/www/html/index.html

Web2服务器：CentOS7-5 192.168.2.7

mount.nfs 192.168.2.5:/opt/test2 /var/www/html
df -h
echo 'this is test2 web!' > /var/www/html/index.html

3.配置负载调度器

负载调度器：内网关 ens33：192.168.2.4，外网关 ens36：12.0.0.1

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

1）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 192.168.2.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

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

3）安装ipvsadm 管理工具

yum -y install 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）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 192.168.2.6:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.2.7:80 -m
#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、测试效果

在一台IP为12.0.0.10的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.1/ ，隔段时间刷新测试负载均衡效果