本章展示：
- 了解群集的结构与工作模式
- 了解 LVS 负载均衡群集原理
- 学会配置 NFS 共享服务
- 学会构建 LVS-NAT 负载均衡群集
1.1
LVS 群集应用基础
群集的称呼来自于英文单词“Cluster”，表示一群、一串的意思，用在服务器领域则表
示大量服务器的集合体，以区分于单个服务器。本节将对群集的结构、工作模式、LVS 虚拟
应用，以及 NFS 共享存储介绍及使用。
1.1.1 群集技术概述
根据实际企业环境的不同，群集所提供的功能也各不相同，采用的技术细节也可能各有
千秋。然而从整体上来看，需要先了解一些关于群集的共性特征，才能在构建和维护群集的
工作中做到心中有数，避免操作上的盲目性。
1．群集的类型
无论是哪种群集，都至少包括两台节点服务器，而对外表现为一个整体，只提供一个访
问入口。根据群集所针对的目标差异，可分为以下三种类型。
负载均衡群集（Load Balance Cluster）：以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、高负载的整体性能。例如，“DNS
轮询”“应用层交换”“反向代理”等都可用作负载均衡群集。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。
高可用群集（High Availability Cluster）：以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。例如，
“故障切换”“双机热备”“多机热备”等都属于高可用群集技术。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。
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。例如，“云计算”“网格计算”也可视为高性能运算的一种。
高性能运算群集的高性能依赖于“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。
不同类型的群集在必要时可以合并，如高可用的负载均衡群集。本章到第 3 章将依次讲
解 LVS 负载均衡群集、高可用软件 Keepalived，以及两者的结合使用。
2．负载均衡的分层结构
在典型的负载均衡群集中，包括三个层次的组件，如图 1.1 所示。前端至少有一个负载
调度器（Load Balancer，或称为 Director）负责响应并分发来自客户机的访问请求；后端
由大量真实服务器（Real Server）构成服务器池（Server Pool），提供实际的应用服务，
整个群集的伸缩性通过增加、删除服务器节点来完成，而这些过程对客户机是透明的；为了
保持服务的一致性，所有节点使用共享存储设备
第一层，负载调度器：这是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（Virtual IP，虚拟 IP）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：群集所提供的应用服务（如 HTTP、FTP）由服务器池承担，其
中每个节点具有独立的 RIP（Real IP，真实 IP）地址，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：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/UNIX 环境中，共享存储可以使用 NAS 设备，或者
提供 NFS（Network File System，网络文件系统）共享服务的专用服务器。
3．负载均衡的工作模式
关于群集的负载调度技术，可以基于 IP、端口、内容等进行分发，其中基于 IP 的负
载调度是效率最高的。基于 IP 的负载均衡模式中，常见的有地址转换、IP 隧道和直接路
由三种工作模式，
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，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，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。
以上三种工作模式中，NAT 方式只需要一个公网 IP 地址，从而成为最易用的一种负载
均衡模式，安全性也比较好，许多硬件负载均衡设备就采用这种方式。相比较而言，DR 模
式和 TUN 模式的负载能力更加强大，适用范围更广，但节点的安全性要稍差一些。
1.1.2 LVS 虚拟服务器
Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目，由我国的章文嵩
博士在 1998 年 5 月创建，官方站点位于 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。
[root@zw ~]# modprobe ip_vs
[root@zw ~]# cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
[root@zw ~]#
1．LVS 的负载调度算法
针对不同的网络服务和配置需要，LVS 调度器提供多种不同的负载调度算法，其中最常
用的四种算法是轮询、加权轮询、最少连接和加权最少连接。
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，均
等地对待每台服务器，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并且分配的请求越多，这样可以保证性能高的节点承担更
多请求。
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。如果所有的服务器节点性能相近，采
用这种方式可以更好地均衡负载。
加权最少连接（Weighted Least Connections）：在服务器节点的性能差异较大的
情况下，调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重，权重较高的节点将承担更
大比例的活动连接负载。
2．使用 ipvsadm 管理工具
ipvsadm 是在负载调度器上使用的 LVS 群集管理工具，通过调用 ip_vs 模块来添加、删
除 服 务器 节 点 ，以 及 查 看 群集 的 运 行状 态 。 在 CentOS 7 系 统 中 ， 需 要 手动 安装
ipvsadm.x86_64 0:1.27-7.el7 软件包。
[root@zw ~]# yum -y install ipvsadm
[root@zw ~]# ipvsadm -v
ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)
[root@zw ~]#
LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、
删除服务器节点和保存负载分配策略。下面分别展示使用 ipvsadm 命令的操作方法。
（1）创建虚拟服务器
若群集的 VIP 地址为 192.168.248.78，针对 TCP 80 端口提供负载分流服务，使用的调
度算法为轮询，则对应的 ipvsadm 命令操作如下所示。对于负载均衡调度器来说，VIP 必须
是本机实际已启用的 IP 地址。
[root@zw ~]# ipvsadm -A -t 192.168.248.78:80 -s rr
上述操作中，选项-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
指定负载调度算法——轮询（rr）、加权轮询（wrr）、最少连接（lc）、加权最少连接（wlc）。
（2）添加服务器节点
为虚拟服务器 192.168.248.78添加y个服务器节点,对应的 ipvsadm 命令操作如下所示。若希望使用保持连接，还应添加“-p 60”选项，其中
60 为保持时间（单位为 s）。
[root@zw ~]# ipvsadm -a -t 192.168.248.78:80 -r 192.168.248.88:80 -m -w 1
上述操作中，有以下选项：
-a 表示添加真实服务器；
-t 用来指定 VIP 地址及 TCP 端口；
-r 用来指定 RIP 地址及 TCP 端口；
-m 表示使用 NAT 群集模式（-g DR 模式和-i TUN 模式）；
-w 用来设置权重（权重为 0 时表示暂停节点）。
（3）查看群集节点状态
结合选项-l 可以列表查看 LVS 虚拟服务器，可以指定只查看某一个 VIP 地址（默认为
查看所有），结合选项-n 将以数字形式显示地址、端口等信息。
上述输出结果中，Forward 列下的 Masq 对应 Masquerade（地址伪装），表示采用的群集
模式为 NAT。如果是 Route，则表示采用的群集模式为 DR。
（4）删除服务器节点
需要从服务器池中删除某一个节点时，使用选项-d。执行删除操作必须指定目标对象，
包括节点地址、虚拟 IP 地址。例如，以下操作将会删除 LVS 群集 172.16.16.172 中的节点
192.168.7.24。
[root@zw ~]# ipvsadm -d -r 192.168.248.88:80 -t 192.168.248.78:80
需要删除整个虚拟服务器时，使用选项-D 并指定虚拟 IP 地址即可，无须指定节点。例
如，若执行“ipvsadm -D -t 192.168.248.78”，则删除此虚拟服务器。
（5）保存负载分配策略
使用导出/导入工具 ipvsadm-save/ipvsadm-restore 可以保存、恢复 LVS 策略。当然也
可以快速清除、重建负载分配策略。
[root@zw ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@zw ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm
-A -t 192.168.248.78:http -s rr
-a -t 192.168.248.78:http -r 192.168.248.88:http -m -w 1
[root@zw ~]#
1.1.3 NFS 共享存储服务
NFS 是一种基于 TCP/IP 传输的网络文件系统协议，最初由 Sun 公司开发。通过使用 NFS
协议，客户机可以像访问本地目录一样访问远程服务器中的共享资源。对于大多数负载均衡
群集来说，使用 NFS 协议来共享数据存储是比较常见的做法，NFS 也是 NAS 存储设备必然支
持的一种协议。
下面将学习 NFS 共享服务的基本配置和访问方法。
1．使用 NFS 发布共享资源
NFS 服务的实现依赖于 RPC（Remote Process Call，远端过程调用）机制，以完成远程
到本地的映射过程。在 CentOS 7 系统中，需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供 NFS
共享服务，前者用于 NFS 共享发布和访问，后者用于 RPC 支持。
（1）安装 nfs-utils、rpcbind 软件包
[root@zw ~]# yum -y install nfs-utils rpcbind
[root@zw ~]# systemctl enable nfs
[root@zw ~]# systemctl enable rpcbind
[root@zw ~]#
（2）设置共享目录
NFS 的配置文件为/etc/exports，文件内容默认为空（无任何共享）。在 exports 文件
中设置共享资源时，记录格式为“目录位置
客户机地址(权限选项)”。例如，若要将文件
夹/opt/wwwroot 共享给 192.168.248.0/24 网段使用，允许读写操作，具体配置如下所示。
[root@zw ~]# mkdir -p /opt/wwwroot
[root@zw ~]# vim /etc/exports
/opt/wwwroot 192.168.248.0/24(rw,sync,no_root_squash)
其中客户机地址可以是主机名、IP 地址、网段地址，允许使用*、?通配符；权限选项
中的 rw 表示允许读写（ro 为只读），sync 表示同步写入，no_root_squash 表示当客户机以
root 身份访问时赋予本地 root 权限（默认是 root_squash，将作为 nfsnobody 用户降权对
待）。
当需要将同一个目录共享给不同的客户机，且分配不同的权限时，只要以空格分隔指定
多个“客户机（权限选项）”即可。例如，以下操作将/var/ftp/public 目录共享给两个客
户机，并分别给予只读、读写权限。
[root@zw ~]# vim /etc/exports
/var/ftp/public 192.168.31.145(ro) 192.168.31.146(rw)
（3）启动 NFS 服务程序
[root@zw ~]# systemctl start rpcbind
[root@zw ~]# systemctl start nfs
[root@zw ~]# netstat -anpt | grep rpc
tcp 0 0 0.0.0.0:43855 0.0.0.0:* LISTEN 13346/rpc.statd
tcp 0 0 0.0.0.0:20048 0.0.0.0:* LISTEN 13373/rpc.mountd
tcp6 0 0 :::20048 :::* LISTEN 13373/rpc.mountd
tcp6 0 0 :::60676 :::* LISTEN 13346/rpc.statd
[root@zw ~]#
[root@zw ~]# showmount -e
Export list for zw:
/opt/wwwroot 192.168.248.0/24
/var/ftp/public 192.168.31.146,192.168.31.145
[root@zw ~]#
2．在客户机中访问 NFS 共享资源
NFS 协议的目标是提供一种网络文件系统，因此对 NFS 共享的访问也使用 mount 命令来
[root@uuu ~]# yum -y install rpcbind nfs-utlis
[root@uuu ~]# systemctl enable rpcbind
[root@uuu ~]# systemctl start rpcbind
来实现开机自动挂载。考虑到群集系统中的网络稳定性，NFS 服务器与客户机之间最好使用
专有网络进行连接。
（1）安装 rpcbind 软件包，并启动 rpcbind 服务。
若要正常访问 NFS 共享资源，客户机中也需要安装 rpcbind 软件包，并启动 rpcbind
系统服务。另外，为了使用 showmount 查询工具，建议将 nfs-utils 软件包也一并装上。
[root@uuu ~]# yum -y install rpcbind nfs-utlis
[root@uuu ~]# systemctl enable rpcbind
[root@uuu ~]# systemctl start rpcbind
如果已经安装了 nfs-utils 软件包，则客户机也可以使用 showmount 查看 NFS 服务器端
共享了哪些目录，查询格式为“showmount -e 服务器地址”。
[root@uuu ~]# showmount -e 192.168.248.78
Export list for 192.168.248.78:
/opt/wwwroot 192.168.248.0/24
/var/ftp/public 192.168.31.146,192.168.31.145
（2）手动挂载 NFS 共享目录。
以 root 用户身份执行 mount 操作，将 NFS 服务器共享的/opt/wwwroot 目录挂载到本地
目录/var/www/html。
[root@uuu ~]# mount 192.168.248.78:/opt/wwwroot /var/www/html
[root@uuu ~]# tail -l /etc/mtab
192.168.248.78:/opt/wwwroot /var/www/html nfs4 rw,relatime,vers=4.1,rsize=131072,wsize=131072,namlen=255,hard,proto=tcp,timeo=600,retrans=2,sec=sys,clientaddr=192.168.248.88,local_lock=none,addr=192.168.248.78 0 0
[root@uuu ~]#
[root@uuu ~]# vim /var/www/html/index.html
完成挂载以后，访问客户机的/var/www/html 文件夹，实际上就相当于访问 NFS 服务器
中的/opt/wwwroot 文件夹，其中的网络映射过程对于用户程序来说是透明的。例如，上述
操作中创建的 index.html 测试文件，会立刻出现在服务器的/opt/wwwroot/目录下。
（3）fstab 自动挂载设置。
修改/etc/fstab 配置文件，加入 NFS 共享目录的挂载设置。注意将文件系统类型设为
nfs，挂载参数建议添加_netdev（设备需要网络）。若添加 soft、intr 参数可以实现软挂载，
允许在网络中断时放弃挂载。这样，客户机就可以在每次开机后自动挂载 NFS 共享资源了。
[root@uuu ~]# vi /etc/fstab …… //省略部分信息
192.168.248.78:/opt/wwwroot /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
