LVS负载均衡集群-NAT模式

前言

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的要求。

如果使用小型机、大型机，价格比较昂贵，所以大多数企业会使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。通过整合多台服务器，使用LVS来达到服务器的高可用和负载均衡，并已同一个IP地址对外提供相同的服务。

在企业中常用的一种群集技术——LVS（Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器）。

一、企业群集应用概述

1. 群集的含义

Cluster（集群、群集），由多台主机构成，但对外只表现为要给整体，只提供一个访问入口（域名和IP地址），相当于一个大型计算机。

1.1 群集的特点

• 由多台主机构成；
• 都干同样的一件事；
• 对外展现是一个整体。

1.2 扩展服务器的方式

• 纵向扩展：添加服务器硬件。
• 横向扩展：添加服务器的数量。

2. 群集的类型

• 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。

2.1 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，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。根据软件类来分应用，代表是LVS、Nginx、HAproxy；根据硬件类来分应用，代表的是F5、绿盟。

2.2 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，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。应用代表是Keepalived、heartbeat。

2.3 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。

• 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。主要代表云计算、网格计算等。

3. 负载均衡的结构

第一层：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。

4. LVS 的三种工作模式

• NAT：地址转换模式
  • 负载调度器会作为所有节点服务器的默认网关，也作为客户机的访问入口和节点服务器返回响应消息的出口，也就是说调度器会承载双向数据的负载压力，可能成为整个集群的性能瓶颈。
  • 特点：由于节点服务器都处于内网环境，使用私网IP地址，所以安全性尚可
• TUN：IP隧道模式 （IP Tunnel）
  • 调度器仅作为节点服务器的访问入口，节点服务器的响应消息直接返回给客户端，不会在经过调度器
  • 特点：由于节点服务器需要部署在不同位置的公网环境中，需要具有独立的公网IP地址，调度器与节点服务器通过专用的IP隧道实现相互通信的，因此IP隧道模式 的成本较高，安全性较低，且IP隧道需要更多的封装和解封装过程，性能也会收到一定的影响
• DR：直接路由 （Direct Routing）
  • 调度器仅作为客户端访问入口，节点服务器响应消息直接返回给客户端，不经过调度器
  • 特点：节点服务器与调度器是不是在同一个局域网内，因此不需要建立专用的IP隧道，DR模式是企业的首选模式

二、LVS-NAT 的部署

1. 关于 LVS 虚拟服务器

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。它的官方网站： http://www.linuxvirtualserver.org/。LVS（Linux Virtual Server）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。

###确认内核对LVS的支持
[root@localhost ~]# modprobe ip_vs
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConns

一次性加载所有模块的方式。

###进入所有模块目录
[root@localhost ~]#cd /usr/lib/modules/3.10.0-1160.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/

###查询方式
[root@localhost ipvs]#for i in $(ls *);do echo $i | awk -F. '{print $1}';done
[root@localhost ipvs]#for i in $(ls * | awk -F. '{print $1}');do echo $i;done
[root@localhost ipvs]#ls * | grep -o "^[^.]*"
[root@localhost ipvs]#for i in $(ls *); do echo ${i%%.*};done

所有模块

2. LVS的负载调度算法

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。

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。

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。

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。

三、 ipvsadm 工具

LVS群集创建与管理流程：常见虚拟服务器——>添加删除服务器节点——>查看群集及节点情况——>保存负载分配策略。

ipvsadm工具选项说明

选项	含义
-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	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

LVS-NAT部署实战

LVS-NAT 部署配置

网关服务器配置

1. 部署共享存储（NFS服务器）

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

yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir /opt/kgc /opt/benet
chmod 777 /opt/kgc /opt/benet
echo 'this is kgc web!' > /opt/kgc/index.html
echo 'this is benet web!' > /opt/benet/index.html

vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/kgc 192.168.154.0/24(rw,sync)
/opt/benet 192.168.154.0/24(rw,sync)

---发布共享---
exportfs -rv

2. 配置节点服务器（192.168.154.14、192.168.154.15）

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

yum install httpd -y
systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service

yum install nfs-utils rpcbind -y
showmount -e 192.168.80.13

systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

--192.168.80.100---
mount.nfs 192.168.80.13:/opt/kgc /var/www/html

vim /etc/fstab
192.168.80.13:/opt/kgc		/var/www/html	nfs		defaults,_netdev	0  0

--192.168.80.101---
mount.nfs 192.168.80.13:/opt/benet /var/www/html
echo 'this is benet web!' > /var/www/html/index.html

vim /etc/fstab
192.168.80.13:/opt/benet	/var/www/html	nfs 	defaults,_netdev	0  0

3. 配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.154.12，外网关 ens36：12.0.0.10）

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 192.168.80.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.10

（2）加载LVS内核模块
modprobe ip_vs					#加载 ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs				#查看 ip_vs版本信息

for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done

（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
或者 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）
ipvsadm -C 					#清除原有策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.10:80 -s rr [-p 60]
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.154.14:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.154.15:80 -m [-w 1]
ipvsadm						#启用策略

ipvsadm -ln					#查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm-save > /opt/ipvsadm						#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

4. 测试效果
   在一台IP为12.0.0.30的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.10/ ，不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点（或者关闭Web服务的连接保持）。

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启动、停止、修改、查看

ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.11:80 #删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80 #删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm #停止服务（清空策略），如果selinux没关闭/etc/sysconfig/ipvsadm内容也会清空
systemctl start ipvsadm #启动服务（根据/etc/sysconfig/ipvsadm恢复策略）
ipvsadm -ln #查看节点状态，Masq代表 NAT模式

保存策略、恢复策略

ipvsadm-save > /opt/ipvsadm#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm #保存系统启动自动执行策略
ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm #恢复LVS 策略

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