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一、群集的概述

1、群集的含义

Cluster，集群、群集，为解决某个特定的问题将多台计算机组合起来形成的单个系统
由多台主机构成的一个整体，提供一个访问入口（IP或域名），集群中的多台主机都干一件事提供一样的服务

2、出现高并发的解决方法

目前互联网应用中，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。通常有以下两个解决方法：

纵向扩展：扩展CPU、内存、使用价格昂贵的小型机、大型机
横向扩展：使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集

但是纵向扩展总有上限，插槽的数量有限，所以我们更多的采用横向扩展，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（通常成为浮动IP，简称VIP）对外提供相同的服务。

3、群集的三种分类

• 负载均衡群集（LB） 提高系统响应能力，处理更多的访问请求，减少延迟，获得高并发、高负载的性能
• 高可用群集（HA） 提高系统的可靠性，尽可能的减少中断时间，确保业务的连续性
• 高性能运算群集（HPC） 通过整合多台主机的硬件资源，使用分布式/并行运算方法来获取高性能计算能力，云计算就是它的具体实现

3.1负载均衡群集

LB：Load Balancing，负载均衡，多个主机组成，每个主机只承担一部分访问请求

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

3.2高可用群集

HA：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

3.3高性能运算群集

HPC：High Performance Computer Cluster

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”，通过专用硬件个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

4、负载均衡的结构

第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）——代理Nginx
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）
后端的真实服务器，upstream tocmat_server{ip:port} + location进行匹配跳转到upstream地址池中，也是服务器池所映射的后端节点tomcat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，等待错误排除后在重新纳入服务器池。

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。

三、LVS调度器用的调度方法

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

1. rr：轮询算法，将请求依次分配给不同的RS（真实服务器）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。
2. 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。
3. 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。
4. 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

1. 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。
2. 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。
3. lblc：基于地址的最小连接数调度（locality-based least-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。

四、LVS的工作模式及其工作过程

LVS 有三种负载均衡的模式，分别是VS/NAT（nat 模式）、VS/DR（路由模式）、VS/TUN（隧道模式）。

1.NAT模式（VS-NAT）

原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包发送给负载均衡器，负载均衡器在接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端。

优点：集群中的服务器可以使用任何支持TCP/IP的操作系统，只要负载均衡器有一个合法的IP地址。

缺点：扩展性有限，当服务器节点增长过多时，由于所有的请求和应答都需要经过负载均衡器，因此负载均衡器将成为整个系统的瓶颈。

2.直接路由模式（VS-DR）

原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标MAC地址改成后端真实服务器的MAC地址（R-MAC）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器。

优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，也能处理很巨大的请求量。

缺点：需要负载均衡器与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上，必须在同一个局域网环境。

3.IP隧道模式（VS-TUN）

原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求报文封装一层IP隧道（T-IP）转发到真实服务器（RS）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器。

优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，也能处理很巨大的请求量。

缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持“IP Tunneling”。

五、LVS虚拟服务器

Linux Virtual Server（LVS）是针对Linux内核开发的负载均衡解决方案，由我国博士章文嵩在1998年创建，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的一种高效的解决方法，做的是四层代理转发。

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CentOS7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@localhost ~]# modprobe ip_vs
#手动加载
[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 InActConn 
  #确认内核对LVS的支持
[root@localhost ~]# cd /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/
[root@localhost ipvs]# ls
ip_vs_dh.ko.xz   ip_vs.ko.xz       ip_vs_lblcr.ko.xz  ip_vs_nq.ko.xz      ip_vs_rr.ko.xz   ip_vs_sh.ko.xz   ip_vs_wrr.ko.xz
ip_vs_ftp.ko.xz  ip_vs_lblc.ko.xz  ip_vs_lc.ko.xz     ip_vs_pe_sip.ko.xz  ip_vs_sed.ko.xz  ip_vs_wlc.ko.xz
[root@localhost ipvs]# ls |grep -o "^[^.]*"
ip_vs_dh
ip_vs_ftp
ip_vs
ip_vs_lblc
ip_vs_lblcr
ip_vs_lc
ip_vs_nq
ip_vs_pe_sip
ip_vs_rr
ip_vs_sed
ip_vs_sh
ip_vs_wlc
ip_vs_wrr[root@localhost ipvs]# for i in $(ls |grep -o "^[^.]*")
> do
> echo $i
> modprobe $i
#使用for循环，一次性加载

六、ipvsadm工具

创建虚拟服务器

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

ipvasdm工具选项
-A：添加虚拟服务器

-D：删除整个虚拟fuwq

-s：指定负载调度算法（轮询，加权轮询，最少连接，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）

-p60：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

七、LVS-NAT部署实操

准备四台虚拟机

192.168.154.10做LVS调度器 内网关：192.168.154.10 外网关ens36:12.0.0.10

192.168.154.11做nginx1

192.168.154.12做nginx2

192.168.154.13做nfs共享存储

1.部署nginx服务器

#192.168.154.11  做nginx
cd /etc/yum.repo.d/
将nginx的包拉进去
yum -y install nginx

#192.168.154.11
scp nginx.repo 192.168.154.12:`pwd`

#192.168.154.12 做nginx
cd /etc/yum.repo.d/
yum -y install nginx

#192.168.154.11和192.168.154.12
systemctl start nginx  #两个主机都开启Nginx服务

#192.168.154.11
cd /etc/nginx/
vim nginx.conf 
可以发现，他的默认server块在conf.d配置文件中
 
cd conf.d/
vim default.conf
找到网页根目录在/usr/share/nginx/html

#192.168.154.11
将网页根目录下的所有东西，复制到共享存储服务器中
scp * 192.168.154.13:/opt

2.部署NF共享服务

#192.168.154.13 创建网页
cd /opt
mkdir html
vim game.html

<html>
<body>
<h1>this is nfs share web page!</h1>
<img src="game.jpg" />
</body>
</html>

rpm -q nfs-utils rpcbind  #安装依赖包
systemctl enable --now rpcbind nfs
netstat -lntup  #nfs端口号是2049 ，rpcbind端口号是111

nfs端口号是2049 ，rpcbind端口号是111

#192.168.154.13
vim /etc/exports   #共享opt目录下的html目录
/opt/html 192.168.154.0/24(rw,sync,no_root_squash)  
chmod 777 html/   #客户端用户也可进行操作
exportfs -arv #在线发布共享目录

#192.168.154.11和192.168.154.12
vim /etc/fstab  #配置永久挂载NFS服务器的共享目录
192.168.154.13:/opt/html  /usr/share/nginx/html   nfs    defaults,_netdev 0 0

cd /usr/share/nginx/html/ #挂载成功后就看到来自共享目录的文件
ls

192.168.154.11访问共享服务器测试结果

为了做区分，我们在192.168.154.13的共享目录/opt下又创建了www，添加了网页

cd /opt
mkdir www
chmod 777 www/
cd html/
cp * /opt/www/

vim /etc/exports 
/opt/www 192.168.154.0/24(rw,sync,no_root_squash)
exportfs -avr

#192.168.154.12
showmount -e 192.168.154.13
cd 
umount /usr/share/nginx/html/ #解挂载
vim /etc/fstab #重新挂载
192.168.154.13:/opt/www  /usr/share/nginx/html   nfs    defaults,_netdev 0 0
mount -a
df -h

192.168.154.12访问共享服务器测试结果

3.部署LVS调度器

对192.168.154.10的主机添加网络适配器，并设为仅主机模式

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
vim ifcfg-ens36 #修改网卡名及IP，注释网关和DNS
vim ifcfg-ens33 #注释网关和DNS
systemctl restart network
ifconfig

因为NAT模式下，调度器会成为所有节点服务器的网关，所以要修改192.168.154.11和192.168.154.12两台nginx服务器的网关

#192.168.154.11和192.168.154.12
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
vim ifcfg-ens33 
systemctl restart network

#192.168.154.10
vim /etc/sysctl.conf 
net.ipv4.ip_forward=1  #设置IP转发功能
sysctl -p

#192.168.154.10
iptables -F && iptables -t nat -F  #先清除所有nat表规则
iptables -nL
iptables -nL -t nat
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.154.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.10
iptables -nL -t nat

#192.168.154.10
modprobe ip_vs  #加载ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs

#192.168.154.10
cd /etc/yum.repos.d/
mount /dev/cdrom /mnt
yum install -y ipvsadm #安装ipvsadm

#192.168.154.10
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm #创建ipvsadm文件
systemctl start ipvsadm

4.配置负载分配策略

#192.168.154.10
ipvsadm -A -t 12.0.0.10:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.154.11:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.154.12:80 -m
ipvsadm
ipvsadm -ln

#192.168.154.11及192.168.154.12
vim /etc/nginx/nginx.conf  #为了实验效果修改连接时间
systemctl restart nginx

client 测试
将客户端网卡换成VMnet1仅主机模式，跟调度器ens36一样，修改IP和网关

ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm #保存ipvsadm策略
ipvsadm -C
ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm #导回保存的ipvsadm策略
ipvsadm -ln