使用LVS负载均衡搭建web群集的原理及安装配置详解

Posted 2020-11-20

一、负载均衡LVS基本介绍

LVS是 Linux Virtual Server 的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网站是 http://www.linuxvirtualserver.org。 LVS是Linux内核标准的一部分。LVS是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，通过 LVS 的负载均衡技术和 Linux操作系统可以实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。LVS实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用。

二、LVS的组成

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. ipvs(ip virtual server)：工作在内核空间，是真正生效实现调度的代码。
2. ipvsadm：工作在用户空间，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)

三、LVS相关术语

1. DS：Director Server, 指的是前端负载均衡器节点。
2. RS：Real Server, 后端真实的工作服务器。
3. VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
4. DIP：Director Server IP, 前端负载均衡器IP地址，主要用于和内部主机通信。
5. RIP：Real Server IP, 后端服务器的IP地址。
6. CIP：Client IP, 访问客户端的IP地址

四、LVS的工作模式介绍

LVS负载均衡常见的有三种工作模式，分别是地址转换（简称NAT模式）、IP隧道（简称TUN模式）和直接路由（简称DR模式），其实企业中最常用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便，下面总结 DR 和 NAT 原理和特点：

1. LVS-NAT模式

(1) LVS-NAT原理

类似于防火墙的私有网络结构，Director Server作为所有服务器节点的网关，，即作为客户端的访问入口，也是各节点回应客户端的访问出口，其外网地址作为整个群集的VIP地址，其内网地址与后端服务器Real Server在同一个物理网络，Real Server必须使用私有IP地址。

数据包流向分析

• 用户发送请求到Director Server,请求的数据报文（源IP是CIP,目标IP是VIP）到达内核空间。

• 内核空间判断数据包的目标IP是本机，此时IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，重新封装数据包（源IP为CIP，目标IP为RIP），然后选路将数据包发送给Real Server。

• Real Server比对发现目标IP是本机的IP，重新封装报文（源IP为RIP，目标IP为CIP）发回给Director Server。

• Director Server重新封装数据包，将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP。

(2) LVS-NAT模型的特点

• RS必须使用私有IP地址，网关指向DIP。

• DIP与RIP必须在同一网段内。

• DS作为所有服务器节点的网关，也就是说请求和响应报文都需要经过Director Server。

• 支持端口映射

• 高负载场景中，Director Server压力比较大，易成为性能瓶颈。

2. LVS-DR模式

(1) LVS-DR原理

Director Server作为群集的访问入口，但不作为网关使用，后端服务器池中的Real Server与Director Server在同一个物理网络中，发送给客户机的数据包不需要经过Director Server。为了响应对整个群集的访问，DS与RS都需要配置有VIP地址。

数据包流向分析

• 用户发送请求到Director Server,请求的数据报文（源IP是CIP,目标IP是VIP）到达内核空间。

• 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层数据链路层来传输。
• 内核空间判断数据包的目标IP是本机IP，此时IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，重新封装数据包，修改源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址，源IP地址与目标IP地址没有改变，然后将数据包发送给Real Server.
• RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文，重新封装报文(源IP地址为VIP，目标IP为CIP),将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。
• RS直接将响应报文传送到客户端。

(2) LVS-DR模型的特点

• RS和DS必须在同一个物理网络中。
• RS可以使用私有地址，也可以使用公网地址，如果使用公网地址，可以通过互联网对RIP进行直接访问。
• 所有的请求报文经由Director。 Server，但响应报文必须不能经过Director Server。
• RS的网关绝不允许指向DIP(不允许数据包经过director)。
• RS上的lo接口配置VIP的IP地址。

LVS-DR模式需要注意的是：
保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS。

解决方案是：修改RS上内核参数（arp_ignore和arp_announce）将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

• arp_ignore=1表示系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求。

• arp_announce=2表示系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址，而选择发送接口的IP地址。

五、LVS的负载调度算法

最常用的有四种；轮询（rr）、加权轮询(wrr)、最少连接(lc)和加权最少连接(wlc)。

• 轮询（rr）：将收到的访问请求按照顺序轮流调度到不同的服务器上，不管后端真实服务器的实际连接数和系统负载。
• 加权轮询（wrr）：给RS设置权重，权重越高，那么分发的请求数越多，权重的取值范围0–100。根据每台服务器的性能，给每台服务器添加权值，如果RS1的权值为1，RS2的权值为2，那么调度到RS2的请求会是RS1的2倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。这种算法是对rr算法的一种优化和补充。
• 最少连接（lc）：根据后端RS的连接数来决定把请求分发给谁，比RS1连接数比RS2连接数少，那么请求就优先发给RS1。
• 加权最少连接（wlc）:根据后端RS的权重和连接数来决定把请求分发给谁，权重较高，连接数少的RS会优先处理请求。

六、LVS的共享存储服务器

为后端真实服务器提供稳定、一致的文件存取服务，在Linux/Unix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。一般放在私有网络中。

七、实现LVS的NAT模式

1.实验环境

IP地址规划

客户端访问服务的请求IP地址：VIP 12.0.0.1

Server	IP	系统
Director Server	DIP 192.168.10.1	CentOS7
NFS Server	192.168.10.50	RedHat6
Real Server1	RIP 192.168.10.51	CentOS7
Real Server2	RIP 192.168.10.52	CentOS7

在配置的Director的服务器上添加两块网卡，详细步骤可参考DNS分离解析这篇博文有介绍，设置外网ens37为VIP，内网ens33为DIP，把两个 real server 的网关设置为 Director 的内网 iP即DIP。

在虚拟机的配置中DIP网络连接方式设置为仅主机模式，Real Server也配置为仅主机模式。

2.安装和配置

yum安装软件

方法一：如果虚拟机网络是仅主机模式，没有网络，可以本地创建yum仓库，然后进行yum安装。

方法二：如果虚拟机网络是NAT模式，有网络，可以在线yum安装。

(1) 配置NFS服务器

yum install nfs-utils -y    #7系统版本需要安装nfs工具包
service rpcbind start  
service nfs restart

#创建共享目录
mkdir /opt/wwwroot1
mkdir /opt/wwwroot2
#给共享目录写入权限
chmod 777 /opt/wwwroot1
chmod 777 /opt/wwwroot2
#编辑配置文件
vim /etc/exports
/opt/wwwroot1 192.168.10.0/24(rw,sync) 
/opt/wwwroot2 192.168.10.0/24(rw,sync) 

#发布共享
exportfs -rv

#关闭防火墙
service iptables stop

(2) 配置两个real server服务器

#安装nfs客户端
yum install nfs-utils -y 
systemctl start rpcbind.service  
systemctl start nfs.service

#查看nfs挂载
showmount -e 192.168.10.50

#挂载nfs

#Real Server1挂载nfs

#法一：直接挂载
mount.nfs 192.168.10.50:/opt/wwwroot1 /var/www/html

#法二：修改fatab文件挂载
vim /etc/fstab
  192.168.10.50:/opt/wwwroot1 /var/www/html nfs defaults,_netdev  0 0

#Real Server2挂载nfs

方法同Real Server1,将挂载目录/opt/wwwroot1改成/opt/wwwroot2,其余一样。

#安装httpd
yum install httpd -y

#real server1创建测试网页
echo "Server 192.168.10.51" > /var/www/html/index.html
#real server2创建测试网页
echo "Server 192.168.10.52" > /var/www/html/index.html

#启动httpd服务
systemctl start httpd.service 
systemctl enable httpd.service 

#关闭防火墙和安全性策略
systemctl stop  firewalld.service 
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

#测试网页打开是否正常
firefox http://127.0.0.1/

(3) 配置Director server服务器

#安装ipvsadm管理工具
yum install ipvsadm -y

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

#开启路由转发
#法一：编辑sysctl.conf文件，永久路由转发
vim /etc/sysctl.conf
  net.ipv4.ip_forward=1
sysctl -p
#法二：直接编辑,临时路由转发
echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

#配置SNAT转发规则,设置nat防火墙
iptables -F -t nat      #清空nat防火墙
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.10.0/24 -o ens37 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

#Director 上编辑 nat 实现负载分配脚本
# 设置 ipvsadm
vim nat.sh
 #!/bin/bash
 ipvsadm-save  > /etc/sysconfig/ipvsadm   #保存策略
 service ipvsadm start 
 ipvsadm -C     #清除内核虚拟服务器表中的所有记录
 ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr  #创建虚拟服务器
 ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.10.51:80 -m 
 ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.10.52:80 -m 
 ipvsadm

ipvsadm管理工具的选项用法：

• -A: 表示添加虚拟服务器
• -t: 用来指定VIP地址及TCP端口
• -s: 用来指定负载均衡调度算法
• -a: 表示添加真实服务器
• -r: 用来指定RIP地址及TCP端口
• -m: 表示使用NAT群集模式
• -g: 表示使用DR群集模式
• -i: 表示使用TUN群集模式
• -w: 用来设置权重

#保存nat脚本后直接运行
chmod +x nat.sh
./nat.sh

#查看ipvsadm设置的规则
ipvsadm -ln

3.测试LVS群集

用Windows客户端直接访问http://12.0.0.1， 将能够看到由真实服务器提供的网页内容。

第一次访问：

Real Server连接次数查看：

刷新一次：

Real Server连接次数查看：

八、实现LVS的DR模式

1.实验环境

四台机器：

Director节点： (ens33 192.168.10.53 vip ens33:0 192.168.10.80)

Real server1： (ens33 192.168.10.51 vip lo:0 192.168.10.80)

Real server2： (ens33 192.168.10.52 vip lo:0 192.168.10.80)

NFS Server: 192.168.10.50

2.安装和配置

(1) 配置NFS server服务器

步骤如上

(2) 配置两个real server服务器

#配置虚拟IP地址
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0
vim ifcfg-lo:0
 DEVICE=lo:0
 IPADDR=192.168.10.80
 NETMASK=255.255.255.255  #子网掩码必须全为1
 ONBOOT=yes 
ifup lo:0 

#安装nfs客户端
yum install nfs-utils -y 
service rpcbind start  
service nfs restart

#查看nfs挂载
showmount -e 192.168.10.50

#挂载nfs

#Real Server1挂载nfs

#法一：直接挂载
mount.nfs 192.168.10.50:/opt/wwwroot1 /var/www/html

#法二：修改fatab文件挂载
vim /etc/fstab
  192.168.10.50:/opt/wwwroot1 /var/www/html nfs defaults,_netdev  0 0

#Real Server2挂载nfs

方法同Real Server1,将挂载目录/opt/wwwroot1改成/opt/wwwroot2,其余一样。

#安装httpd
yum install httpd -y

#real server1创建测试网页
echo "Server 192.168.10.51" > /var/www/html/index.html
#real server2创建测试网页
echo "Server 192.168.10.52" > /var/www/html/index.html

#启动httpd服务
systemctl start httpd.service 
systemctl enable httpd.service 

#关闭防火墙和安全性策略
systemctl stop  firewalld.service 
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

#在两台real server上配置启动脚本
vim /etc/init.d/rs.sh
  #!/bin/bash
  VIP=192.168.10.80
        case "$1" in
        start)
                ifconfig lo:0 $VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $VIP
                /sbin/route add -host $VIP dev lo:0      #为本机添加一条路由记录
                echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
                echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
                echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
                echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
                sysctl -p >/dev/null 2>&1
                echo "RealServer Start OK "
                ;;
        stop)
                ifconfig lo:0 down
                route del $VIP /dev/null 2>&1
                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
                echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
                echo "RealServer Stopd"
                ;;
        *)
                echo "Usage: $0 {start|stop}"
                exit 1
        esac
        exit 0
#保存后直接运行脚本
chmod +x rs.sh
service rs.sh start

先在本机上自测一下访问网页：

(2) 配置Director server服务器

#配置虚拟IP地址
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0
vim ifcfg-ens33:0
 DEVICE=ens33:0
 ONBOOT=yes
 IPADDR=192.168.10.80
 NETMASK=255.255.255.0
ifup ens33:0 

#安装ipvsadm
yum install ipvsadm -y  

vim /etc/sysctl.conf
#开启路由功能
  net.ipv4.ip_forward=1

#调整/proc响应参数，关闭Linux内核重定向参数响应
  net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0  
  net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
  net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0
sysctl -p 

配置启动脚本
vim /etc/init.d/dr.sh
 #!/bin/bash
 GW=192.168.10.1
 VIP=192.168.10.80
 RIP1=192.168.10.51
 RIP2=192.168.10.52
 case "$1" in
        start)
        /sbin/ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
        systemctl start ipvsadm    
        /sbin/ifconfig ens33:0 $VIP broadcast $VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $VIP up
        /sbin/route add -host $VIP dev ens33:0
        /sbin/ipvsadm -A -t $VIP:80 -s rr
        /sbin/ipvsadm -a -t $VIP:80 -r $RIP1:80 -g
        /sbin/ipvsadm -a -t $VIP:80 -r $RIP2:80 -g
        echo "ipvsadm starting --------------------[ok]"
        ;;
        stop)
        /sbin/ipvsadm -C
        systemctl stop ipvsadm
        ifconfig ens33:0 down
        route del $VIP
        echo "ipvsamd stoped----------------------[ok]"
         ;;
        status)
        if [ ! -e /var/lock/subsys/ipvsadm ];then
        echo "ipvsadm stoped---------------"
        exit 1
                else
                echo "ipvsamd Runing ---------[ok]"
        fi
        ;;
        *)
        echo "Usage: $0 {start|stop|status}"
        exit 1
esac
exit 0

chmod +x /etc/init.d/dr.sh
service dr.sh start

#关闭防火墙和安全策略
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

3.测试LVS群集

用Windows客户端直接访问 http://192.168.10.80/, 将能够看到由真实服务器提供的网页内容。

第一次访问：

Real Server连接次数查看：

刷新一次：

Real Server连接次数查看：

九、LVS结合keepalive

LVS可以实现负载均衡，但是不能够故障切换和健康检查，也就是当一个rs服务器出现故障时，LVS仍然会把请求转发给故障的rs服务器，这样就会导致请求无效。keepalive软件可以解决 LVS 单点故障的问题,能同时实现 LVS 的高可用性。这里以LVS-DR模式为例。

1.实验环境

五台机器：

• Keepalived1 + lvs1(Director1)：192.168.10.53 （主）
• Keepalived2 + lvs2(Director2)：192.168.10.54 （从）
• Real server1：192.168.10.51
• Real server2：192.168.10.52
• NFS Server: 192.168.10.55
• VIP: 192.168.10.80

2.安装配置

在实现LVS的DR模式前提下，在两个Director Server 节点服务器部署keepalived服务。

#安装keepalive软件
yum install keepalived -y

主keepalived节点配置（lvs1）

#主节点( MASTER )配置文件
vim /etc/keepalived/keepalived.conf
 global_defs {
  ...    #省略部分
  smtp_server 127.0.0.1           #指向本地
  router_id LVS_01               #指定名称,备份服务器不同名称
  ...    #省略部分          
}

 vrrp_instance VI_1 {        #定义VRRP热备实例
    state MASTER            #MASTER表示主调度器
    interface ens33         #承载VIP地址的物理接口
    virtual_router_id 51    #虚拟路由器的ID号，每个热备组保持一致
    priority 100            #主调度器优先级
    advert_int 1            #通告间隔秒数
    authentication {        #认证信息
        auth_type PASS      #认证类型
        auth_pass 1111      #字码密串
    }
    virtual_ipaddress {     #指定群集VIP地址，也就是漂移地址
        192.168.10.80
    }
}

virtual_server 192.168.10.80 80 {  #虚拟服务器VIP地址
    delay_loop 6                   #健康检查的间隔时间
    lb_algo rr                     #轮询rr的调度算法
    lb_kind DR                     #直接路由工作模式
    persistence_timeout 0          #连接保持时间
    protocol TCP                   #应用服务采用的是TCP协议

    real_server 192.168.10.51 80 {  

                        #第一个web节点的服务器地址、端口
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80       
        }
    }

    real_server 192.168.10.52 80 {  

                       #第二个web节点的服务器地址、端口
 router_id LVS_01         weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 10
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
            connect_port 80
        }
    }
}

从keepalived节点配置（lvs2）
拷贝主节点的配置文件keepalived.conf，然后修改如下内容：

router_id LV ->  router_id LVS_02 #从调度器名称
state MASTER -> state BACKUP  #从调度器
priority 100 -> priority 90   #从调度器优先级

启动keepalive

#先主后从分别启动keepalive
systemctl start keepalived.service
systemctl status keepalived.service

3.测试 keepalived 的HA特性

（1）虚拟IP地址漂移

首先在master(lvs1)上执行命令 ip addr ，可以看到vip在master节点上的；

这时如果在master上执行 systemctl stop keepalived.service命令，这时vip已经不在master上，在slave节点上执行 ip addr 命令可以看到 vip 已经正确漂到slave节点。这时客户端去访问http://192.168.10.80 访问依然正常。

systemctl stop keepalived.service     #在lvs1主调度器上停止keepalived服务

（2）连通性
在客户机执行“ping 192.168.10.80 -t”,能够正常ping通。
禁用master(lvs1)的ens33网卡，发现还是能正常ping通的。

（3）web访问测试

禁用master(lvs1)的ens33网卡，再次访问上述web服务，网页文档显示正常。