Linux——LVS-NAT负载均衡群集原理搭建大白话

负载均衡群集的原理

• 群集的含义
  Cluster，集群、群集
  就是由多台主机构成，但对外只表现为一个整体
  举个例子：与读写分离架构类比amoeba为三台数据库集群进行对接，对客户端而言后端的数据库群集视为一个整体读写操作都是交给amoeba来进行的
• 问题
  互联网应用汇总，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，压力承受不住
• 解决方法
  使用价格昂贵的小型机、大型机
  使用普通服务器构建服务群集，对不同的服务器的性能做一个不同的轮询策略

群集所针对的目标差异，分三种类型

• 负载均衡群集：目的对服务器分压，对内，提高服务器性能、对外，提高用户体验
• 高可用群集：冗余、解决单点故障、备份——》keeplived
• 高性能运算群集：读写分离、

负载均衡群集

• 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

高可用群集

• 提高应用系统的可靠性、尽可能的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

高性能运算群集

• 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

负载均衡群集架构

• 第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）
  这是访问整个群集系统的唯一入口，多外使用所有服务器共有的VIP(虚拟IP)地址，也称群集IP地址。通常会配置主，备两台调度器实现热备，当主调度器失效以后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）
  Nginx upstream（后端各个服务器的位置 一般为ip地址）群集所提供的应用服务由服务器池承担，其中的每个节点具有独立的RIP(真实IP)地址，只处理调度器分发过来的客户机请求
• 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。在Linux环境中，共享存储可以使用NAS设备或者提供NFS(网络文件系统)共享服务的专用服务器
  NFS GFS
  

负载均衡群集工作模式

• 群集的负载调度技术有三种工作模式
• 地址转换
  NAT SNAT DNAT
• IP隧道
  Tunnel
• 直接路由

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，负载调度器作为索引服务器节点的网关，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i，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，而是与调度器位于用一个物理网络
• 负载调度器与各节点服务器通过本地网络连接，不需要建立专业的IP隧道

三种工作模式的区别

工作模式	NAT	TUN模式	DR模式
real server（节点服务器）
server number（节点数量）	low 10-20	High 100	High 100
真实网关	负载调度器	资源路由器	资源路由器
IP地址	公网+私网	公网	私网
优点	安全性高	安全、速度快	性能最好
缺点	效率低、压力大	需要隧道支持	不能跨越LAN（局域网）

LVS虚拟服务器

• IPVSADM介绍
  从2.4版本开始，Linux内核默认支持LVS。要使用LVS的能力，只需安装一个LVS的管理工具：ipvsadm。
  LVS的结构主要分为两部分：
  ①工作在内核空间的IPVS模块。LVS的能力实际上都是由IPVS实现
  ②工作在用户空间的ipvsadm管理工具。其作用是向用户提供一个命令接口，用于将配置的虚拟服务、真实服务等传给IPVS模块

LVS负载调度算法

• 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
  简单点讲就是每个来一遍
• 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
• 最少链接（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
• 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

LVS-NAT的部署

LVS主要由ipvsadm工具进行管理

ipvsadm工具选项说明
-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/资源池服务器）
-d 删除某一个节点
-t 指定VIP地址及TCP端口（80）
-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

#集群规划

LVS负载调度器	ens33:192.168.150. 1 ens36:12.0.0.1
web节点服务器1	192.168.150.30
web节点服务器2	192.168.150.40
NFS服务器	192.168.150.50
客户端（Windows10）	12.0.0.12

部署共享存储（NFS服务器：192.168.150.50）

1、添加两块磁盘

2、格式化、永久挂载
fdisk /dev/sdb
…
mkfx.xfs /dev/sdb1

fdisk /dev/sdc
…
mkfs.xfs /dev/sdc1

mkdir /opt/chen
mkdir /opt/wang
vim /etc/fstab
添加
/dev/sdb1 /opt/chen xfs defaults 0 0
/dev/sdc1 /opt/wang xfs defaults 0 0

mount -a
df -hT

3、修改配置文件
给与可读写、对访问的root做降级处理
yum install nfs-utils rpcbind -y
vim /etc/exports
/opt/chen 192.168.150.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/opt/wang 192.168.150.0/24(rw,sync,no_root_squash)

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

systemctl start nfs
systemctl start rpcbind
showmount -e看一下共享位置

将nfs虚拟机网卡选为仅主机模式

配置两台web服务器

1.安装Apache
yum install httpd -y

2.修改网卡（为仅主机模式并配置nat）
web1
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
systemctl restart network

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
web2
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
systemctl restart network

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

3.在两台web上查询共享的站点
showmount -e 192.168.150.50

4.两台服务器执行挂载（netdev 网络 设备）
web1：
vim /etc/fstab
192.168.150.50:/opt/chen /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a

web2：
vim /etc/fstab
192.168.150.50:/opt/wang /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
可以df -hT查询验证是否挂载完成

5.在Apachen的站点目录添加一点内容方便识别
vim /var/www/html/index.html

systemctl start httpd
netstat -natp | grep 80

LVS服务器

LVS服务器有两张网卡（内、外网口）均为仅主机模式（先安装好nfs-utils和ipvsadm）

1.NFS服务安装
yum install -y ipvsadm
yum install -y nfs-utils
service rpcbind start
service nfs start

2.网卡配置
ens33
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33

ens36
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp -p ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
vim ifcfg-ens36修改以下内容

systemctl restart network

3.测试连通性：使用两台·web和一台nfs ping 192.168.150.1

4.开启路由转发给你（永久启动）sysctl -p 开启地址转化

vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward=1

sysctl -p

5.开启防火墙，清空规则
systemctl start firewalld
清除防火墙转发表
iptables -F
清除nat地址转换表
iptables -t nat -F
iptables -t nat -L

执行地址转换 -t 指定nat地址转换表
-A在链末尾插入（POSTROUTING链）出口是ens33
-s（转换的源地址）192.168.150.0/24
-j（参数，操作）SNAT（基于源地址转化）
–to-source 12.0.0.1（转化为12.0.0.1）
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.150.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

6.验证一下 Windows上 ping 192.168.150.50


7.加载LVS调度模块（集成在内核中）
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs

8.保存命令、开启服务
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvasdmcentos7需要这条6不用
systemctl start ipvsadm
9.定义脚本
cd /opt
vim nat.sh

#!/bin/bash
#清空ipvs缓存相当于初始化
ipvsadm -C
#指定一个访问入口ip，端口为80，指定调度算法rr（轮询）
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
#-a添加真实服务器建立ip地址映射关系，映射地址是12.0.0.1
#-r添加真实ip地址是192.168.150.30和192.168.150.40
#-m指定使用的轮询机制使用的是NAT的LVS模式
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.150.30:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.150.40:80 -m
ipvsadm

chmod +x nat.sh
./nat.sh

10.验证访问12.0.0.1多次访问会进行设置的轮询策略来访问

小结

LVS是通过ipvsadm工具管理指定不同的负载调度算法对不同的服务器起到负载均衡的效果，负载均衡能有效的减少服务器的压力