群集基础与LVS负载均衡

一、群集

1.1 含义

• Cluster,集群、群集
• 由多台主机构成,但对外只表现为一个整体

1.2 应用

• 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，单台服务器力不从心

1.3 企业群集分类

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

1.3.1 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

1.3.2 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
• HA的工作方式包括双工和主从两种模式

1.3.3 高性能运算群集(High Performance Computer Cluster)

• 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

二、负载均衡群集

2.1 负载均衡的结构

• 第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)
• 第二层，服务器池(Server Pool)
• 第三层，共享存储(Share Storage)

2.2 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

2.3 群集的负载调度技术的工作模式

2.3.1 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

2.3.2 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lnternet车接直接口应客户机，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

2.3.3 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

2.3.4 各模式的特点总结

NAT模式

• 优点：安全性优于其他两种方式
• 缺点：负载量比其他两种较低

TUN模式与DR模式的异同点

• 相同点：web节点都是不通过调度器
• 不同点：
  TUN各web节点都有其各自独立的公网地址，而DR没有；
  TUN各web节点和调度器ip隧道通信，DR局域网通信；
  TUN各web节点直接与客户机相应，DR节点需要通过路由器相应

三、LVS虚拟服务器

3.1 概述

Linux Virtual Server

• 针对Linux内核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.org/

3.2 LVS的负载调度算法

3.2.1 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

3.2.2 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

3.2.3 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

3.2.4 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
• 性能较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

3.3 LVS群集创建与管理

四、LVS-NAT部署实战

4.1 环境

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

4.2 部署步骤

1. 加载ip_vs模块，安装ipvsadm工具
2. 开启路由转发
3. 新建LVS虚拟服务器并添加节点服务器
4. 配置节点服务器
   建立测试网站
   挂载NFS共享存储
   建立测试网页
5. 保存规则并测试

4.3 配置设备

调度服务器一台：lvs
ip地址：192.168.20.11（内网）
192.168.30.11（外网）

Web服务器两台：
ip地址：192.168.20.12（SERVER AA）
ip地址：192.168.20.13（SERVER AB）

NFS共享服务器：
ip地址：192.168.20.14

客户端一台：用于测试验证
ip地址：192.168.30.21（外网）

4.4 配置流程

• 共享服务器上面的配置：

    yum -y install nfs-utils rpcbind
    mkdir /opt/web1
    mkdir /opt/web2
    echo "this is web1." > /opt/web1
    echo "this is web2." > /opt/web2
    vi /etc/exports
    	/opt/web1 192.168.20.12 (ro)
    	/opt/web2 192.168.20.13 (ro)
    showmount -e
  

在另外的节点服务器上面也要能够看到nfs发布的内容：

• web节点服务器上面的配置内容

    yum -y install httpd
    mount 192.168.20.14:/opt/web1 /var/www/html
    systemctl restart httpd
  

可以查看到本节点的网页内容

因为调度器需要调度节点的网页内容，所以调度器也要能够访问到节点的网页内容。

• 调度器上面的配置

    modprobe ip_vs   # 对ip_vs的探测加载
    cat /proc/net/ip_vs   # 查看基本信息
    vi nat.sh
    	!/bin/bash
    	ipvsadm -C
    	ipvsadm -A -t 192.168.30.11:80 -s rr
    	ipvsadm -a -t 192.168.30.11:80 -r 192.168.20.12:80 -m
    	ipvsadm -a -t 192.168.30.11:80 -r 192.168.20.13:80 -m
    	ipvsadm -Ln
  

  sh nat.sh

4.5 测试页访问

使用客户机进行ip地址的访问，会出现轮询的网页跳转。
通过调度器的ipvsadm -Lnc也能看出LVS通过轮询的方式来实现负载均衡。