LVS负载均衡群集（NAT模式）

Posted 2022-01-19 Richard_Chiang

LVS负载均衡群集（NAT模式）

负载均衡群集的原理

企业群集应用概述群集的含义

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

为什么会有集群

• 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。

解决方法

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

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）

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

负载均衡群集（Load Balance Cluster）阿里(SLB)

• [ ] 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

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

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

负载均衡群集架构

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(一种协议)的专用服务器。

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三种工作模式(LVS)
  • 地址转换
  • IP隧道
  • 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，负载调度器作为所有服务器节点的网关，<u>NAT模式的调度器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，该调度器负载压力会很大，会成为整个集群的瓶颈</u>
  • 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

TUN模式

• [ ] IP隧道
  • lP 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

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

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。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

LVS的负载调度算法

• 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

• 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

• 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
• 源地址哈希值(source hash)

LVS调度器常见算法（均衡策略）

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。
wrr：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（destination hashing）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（source hashing）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，lblc
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。IB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。

ipvsadm功能与选项说明

选项	功能
-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

NAT模式 LVS负载均衡群集部署

• 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

环境配置

主机	操作系统	IP地址	所需服务
负载调度器	CentOS7	内网关：192.168.80.20；外网关：12.0.0.1	ipvsadm
NFS服务器	CentOS7	192.168.80.30	rpcbind、nfs-utils
Web节点服务器1	CentOS7	192.168.80.40	rpcbind、nfs-utils、httpd
Web节点服务器2	CentOS7	192.168.80.50	rpcbind、nfs-utils、httpd
客户端	Windows7	12.0.0.100

注：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.部署共享存储（NFS服务器：192.168.80.30）

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 /opt/test2
chmod 777 /opt/test1 /opt/test2
echo this is test1 web! > /opt/test1/index.html
echo this is test2 web! > /opt/test2/index.html

vim /etc/exports
/opt/test1 192.168.80.0/24(rw,sync)
/opt/test2 192.168.80.0/24(rw,sync)

exportfs -rv #发布共享

2.配置节点服务器（192.168.80.40、192.168.80.50）

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 192.168.80.30

配置web节点服务器1：192.168.80.40

mount.nfs 192.168.80.30:/opt/test1 /var/www/html
echo this is test1 web! > /var/www/html/index.html

配置web节点服务器2：192.168.80.50

mount.nfs 192.168.80.30:/opt/test2 /var/www/html
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 ens33：192.168.80.20，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 192.168.80.0/24 -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

for i in $(ls /usr/lib/modules /$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvslgrep -o"^[^.]*"); do echo $i; /sbin/modinfo -Ffilename $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
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#可以在后面加-p跟上时间来设定负载均衡的时间
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.40:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.50:80 -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

4.测试结果

在一台IP为12.0.0.100的客户机使用浏览器访问http://12.0.0.1/，不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点。

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总结

ipvs与iptables底层都是用的nat转换技术，都是属于内核态（netfilter）
ipvs转发性能更好一些。因为相对iptables管理的策略更少，而且iptables读取策略是按照规则表从上往下依次读取，而ipvs是直接根据分发策略转发效率可能更好一些
LVS有3种模式（NAT DR IP-TUNNEL）
NAT模式：会把调度器当作客户端访问的入口，也把调度器当作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集群的瓶颈
DR IP-TUNNEL：会把调度器当作客户端访问的入口，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。就是说基于IP+端口的转发，而且负载均衡性能是最好的
LVS调度算法（调度策略）：rr轮询，wrr加权轮询，lc最少连接，wlc加权最少连接，sh源地址哈希，dh目的地址哈希，lblc基于地址的最少连接
要支持LVS的使用得加载ip_vs模块。modprobe ip_vs
ipvs所有模块在/usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs目录中
可以用ls | grep -o "^[^.]*"去匹配文件名