LVS负载均衡群集之NAT模式

Posted 2022-01-19 呼噜呼噜懒洋洋

一、群集概述

1、群集的含义

Cluster,集群、群集
    群集是由多台主机构成，但对外只表现为一个整体，只提供一个访问入口(域名或IP地址)，相当于一台大
型计算机。

2、应用背景

      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。

3、解决方法

1、用价格昂贵的小型机、大型机

2、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，并以同一个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)

二、群集的分类

1.根据群集所针对的目标差异，可分为3种类型  

负载均衡群集
高可用群集
高性能运算群集

a.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。
例如，"DNS轮询" "反向代理"等

b.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。
例如:"故障切换" "双机热备" 等

c.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。
例如，“云计算” “网格计算” 等

三、负载均衡群集的结构 （图1.18-1）

1.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。

2.第二层，服务器池/组(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。

3.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。

四、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

1.群集的负载调度技术有三种工作模式

地址转换  （NAT）
IP隧道    (TUN)
直接路由   (DR)

a.NAT 模式

Network Address Translation,简称NAT模式，即地址转换。
  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。

问：为什么不使用NAT模式？

答：因为调度器既作为客户机的访问入口，也作为回应客户机的出口，所以调度器会成为负载均衡群集的瓶颈。

b.TUN模式

IP Tunnel,简称TUN模式,即IP 隧道
  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。

c.DR模式

Direct Rputing，简称DR模式,即直接路由
  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。

总结：LVS 3种模式 NAT、 DR、IP-TUNNEL

NAT模式会把调度器当做客户端访问的入口，也把调度器当做服务器回应客户端的访问出口，调度器将会成为整个负载均衡群集的瓶颈。

DR、IP-TUNNEL

会把调度器当做客户端访问的入口，调度器会把请求转发给节点服务器，节点服务器回应是直接发送给客户端而不经过调度器。

LVS的转发是属于4层转发。就是说是基于IP+端口的转发，而且负载均衡性能是最好的

关于LVS虚拟服务器

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.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。

1.手动开启查看LVS模块信息：

modprobe ip_vs          #开启模块
cat /proc/net/ip_vs     #查看模块

ip_vs所有模块在 /usr/lib/modules/3.10.0-693.e17.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/ 目录中

可以用 ls | grep -o "^[^.]*" 去匹配模块名

2.LVS的负载调度算法

a.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。

b.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，以保证性能强的
服务器承担更多的访问流量。

c.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。

d.加权最少连接(Weighted Least Connections)d

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。

e.源地址哈希值(source hasb) 。

3.LVS调度器用的调度方法基本分为两类:

固定调度算法: rr, wrr，dh，sh ，

rr:轮询算法，将请求依次分配给不同的rs节点，即RS节点中均摊分配。适合于RS所有节点处理性能接近的情
   况。
Krr:加权轮训调度，依据不同RS的权值分配任务。权值较高的RS将优先获得任务，并且分配到的连接数将比权
    值低的RS更多。相同权值的RS得到相同数目的连接数。
dh:目的地址哈希调度(destinationhashing)以目的地址为关键字查找一个静态hash表来获得所需RS。
sh:源地址哈希调度(sourcehashing)以源地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS。

动态调度算法: wlc，lc，1blc

wlc:加权最小连接数调度，假设各台RS的权值依次为Wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次去Ti/Wi为最小的RS作
    为下一个分配的RS。
lc: 最小连接数调度(least-connection) ，IPVS表存储了所有活动的连接。LB会比较将连接请求发送到当前
    连接最少的RS。
lblc:基于地址的最小连接数调度(locality-basedleast-connection):
    将来自同一个目的地址的请求分配给同一台RS，此时这台服务器是尚未满负荷的。否则就将这个请求分配
给连接数最小的RS，并以它作为下一次分配的首先考虑。

实验案例：

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

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)
-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

环境配置：

负载调度器:内网关ens33: 192.168.163.6， 外网关ens36: 12.0.0.1  
Web节点服务器1: 192.168.163.7
Web节点服务器2: 192.168.163.8
NFS服务器: 192.168.163.9
客户端: 12.0.0.12

1.部署共享存储(NFS服务器: 192.168.163.9)

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
/opt/kgc 192.168.163.0/24 (rw, sync)
/opt/benet 192.168.163.0/24 (rw, sync)

--发布共享---
exportfs -rv

2.配置节点服务器(192.168.163.7、 192.168.163.8)

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 192.168.163.9

systemctl start rpcbind
systemctl start nfs

--192.168.163.7---
mount 192.168.163.9:/opt/kgc /var/www/html
或
vim /etc/fstab
192.168.163.9:/opt/kgc /var/www/html  nfs  defaults,_netdev  0  0


--192.168.163.8---
mount 192.168.163.9:/opt/benet /var/www/html
或
vim /etc/fstab
192.168.163.9:/opt/benet  /var/www/html  nfs  defaults,_netdev  0  0

3.配置负载调度器(内网关ens33: 192.168.163.6, 外网关ens37: 12.0.0.254)

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

sysctl -p

iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.163.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

(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

#加载所有ip_vs模块
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 12.0.0.1:80 -s rr  
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.163.8:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.163.7:80 -m [-w 1]

ipvsadm         #启用策略

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


ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.163.7:80        #删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80                       LVS负载均衡群集部署之——NAT模式的介绍及搭建步骤

 构建基于地址转换（LVS—NAT）模式的负载均衡群集
 群集 之 LVS负载均衡（DR模式）
 LVS—NAT负载均衡群集
 LVS-NAT模式的负载均衡群集
 LVS负载均衡集群（NAT模式部署）！