一、集群与分布式

1.1 集群的含义

• Cluster，集群、群集,为解决某个特定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，但对外只表现为一个整体

1.2 LVS模型

1.3 系统性能扩展方式

• Scale UP：垂直扩展，向上扩展,增强，性能更强的计算机运行同样的服务

• Scale Out：水平扩展，向外扩展,增加设备，并行地运行多个服务调度分配问题，Cluster

垂直扩展不再提及：

随着计算机性能的增长，其价格会成倍增长

单台计算机的性能是有上限的，不可能无限制地垂直扩展，多核CPU意味着即使是单台计算机也可以并行的。那么，为什么不一开始就并行化技术？

1.4 群集的三种类型

• 负载均衡群集

• 高可用群集

• 高性能运算群集。

1.4.1 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

1.4.2 高可用群集

HA： High Availiablity，高可用，避免 SPOF（single Point Of failure）

• 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

1.4.3 高性能运算群集

HPC： High-performance computing，高性能

• 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

1.5 LVS 的负载调度算法

①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)

• 均等地对待每台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载。

②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。

③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的均衡负载

④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。

⑤IP_Hash

• 根据请求来源的IP地址进行Hash计算，得到后端服务器

• 这样来自同一个IP的请求总是会落到同一台服务器上处理，以致于可以将请求上下文信息存储在这个服务器上

⑥url_hash

• 按访问url的hash结果来分配请求，使每个url定向到同一个后端服务器

• 后端服务器为缓存时比较有效

⑦fair

• 采用的不是内建负载均衡使用的轮换的均衡算法

• 而是可以根据页面大小、加载时间长短智能的进行负载均衡

• 也就是根据后端服务器时间来分配用户请求，响应时间短的优先分配

1.6 分布式系统

分布式存储： 将数据分散存储在多台独立的设备上 。Ceph，GlusterFS，FastDFS，MogileFS

分布式计算： 将该应用分解成许多小的部分，分配给多台计算机进行处理。 hadoop，Spark

分布式常见应用

    分布式应用-服务按照功能拆分，使用微服务（单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值服务）

    分布式静态资源--静态资源放在不同的存储集群上

    分布式数据和存储--使用key-value缓存系统

    分布式计算--对特殊业务使用分布式计算，比如Hadoop集群

1.7 集群和分布式

分布式是以缩短单个任务的执行时间来提升效率的，而集群则是通过提高单位时间内执行的任务数来提升效率。

• 集群：同一个业务系统，部署在多台服务器上。集群中，每一台服务器实现的功能没有差别，数据和代码都是一样的。
• 分布式：一个业务被拆成多个子业务，或者本身就是不同的业务，部署在多台服务器上。分布式中，每一台服务器实现的功能是有差别的，数据和代码也是不一样的，分布式每台服务器功能加起来，才是完整的业务。

PS: 对于大型网站，访问用户很多，实现一个群集，在前面部署一个负载均衡服务器，后面几台服务器完成 同一业务。如果有用户进行相应业务访问时，负载均衡器根据后端哪台服务器的负载情况，决定由给哪 一台去完成响应，并且一台服务器垮了，其它的服务器可以顶上来。分布式的每一个节点，都完成不同 的业务，如果一个节点垮了，那这个业务可能就会失败

1.8 集群设计原则

1. 可扩展性—集群的横向扩展能力

2. 可用性—无故障时间 (SLA service level agreement)

3. 性能—访问响应时间

4. 容量—单位时间内的最大并发吞吐量(C10K 并发问题)

1.9 集群设计实现

1.9.1 基础设施层面

• 提升硬件资源性能—从入口防火墙到后端 web server 均使用更高性能的硬件资源

• 多域名—DNS 轮询A记录解析

• 多入口—将A记录解析到多个公网IP入口

• 多机房—同城+异地容灾

• CDN(Content Delivery Network)—基于GSLB(Global Server Load Balance)实现全局负载均衡，如：DNS

1.9.2 业务层面

• 分层：安全层、负载层、静态层、动态层、(缓存层、存储层)持久化与非持久化

• 分割：基于功能分割大业务为小服务

• 分布式：对于特殊场景的业务，使用分布式计算

1.10 负载均衡群集架构

1. 第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）

2. 第二层，服务器池（Server Pool）

3. 第三层，共享存储（Share Storage）

1.11 LB Cluster 负载均衡集群

1.11.1 按实现方式划分

• 硬件
  F5 Big-IP（F5服务器负载均衡模块）
  Citrix Netscaler

A10 A10

• 软件

lvs：Linux Virtual Server，阿里四层 SLB (Server Load Balance)使用

nginx：支持七层调度，阿里七层SLB使用 Tengine

haproxy：支持七层调度

ats：Apache Traffic Server，yahoo捐助给apache

perlbal：Perl 编写

pound

1.11.2 基于工作的协议层次划分

• 传输层（通用）：DNAT 和 DPORT
  LVS：

nginx：stream

haproxy：mode tcp

• 应用层（专用）：针对特定协议，常称为 proxy server

http：nginx, httpd, haproxy(mode http), …

fastcgi：nginx, httpd, …

mysql：mysql-proxy, mycat…

1.11.3 负载均衡的会话保持

1. session sticky：同一用户调度固定服务器

Source IP：LVS sh算法（对某一特定服务而言）

Cookie

1. session replication：每台服务器拥有全部session（复制）

session multicast cluster

1. session server：专门的session服务器（server）

Memcached，Redis

1.12 HA 高可用集群实现

keepalived：vrrp协议

Ais：应用接口规范

heartbeat

cman+rgmanager(RHCS)

coresync_pacemaker

二. linux Virtual Server 简介

2.1 LVS 介绍

LVS：Linux Virtual Server，负载调度器，内核集成，章文嵩（花名正明）, 阿里的四层SLB(Server

Load Balance)是基于LVS+keepalived实现

LVS 官网：http://www.linuxvirtualserver.org/
阿里SLB和LVS：
https://yq.aliyun.com/articles/1803
https://github.com/alibaba/LVS

整个SLB系统由3部分构成:四层负载均衡，七层负载均衡和控制系统

• 四层负载均衡 ，采用开源软件LVS (linux virtual server)，并根据云计算需求对其进行了定制化;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用2年;

• 七层负载均衡，采用开源软件Tengine;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用3年多;·控制系统，用于配置和监控负载均衡系统;

2.2 LVS 工作原理

VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS。LVS是内核级功能，工作在INPUT链的位置，将发往INPUT的流量进行“处理”

2.3 LVS 功能及组织架构

负载均衡的应用场景为高访问量的业务，提高应用程序的可用性和可靠性。

2.3.1 应用于高访问量的业务

如果您的应用访问量很高，可以通过配置监听规则将流量分发到不同的云服务器 ECS（ElasticCompute Service 弹性计算服务）实例上。此外，可以使用会话保持功能将同一客户端的请求转发到同一台后端ECS

2.3.2 扩展应用程序

可以根据业务发展的需要，随时添加和移除ECS实例来扩展应用系统的服务能力，适用于各种Web服务器和App服务器

2.3.3 消除单点故障

可以在负载均衡实例下添加多台ECS实例。当其中一部分ECS实例发生故障后，负载均衡会自动屏蔽故障的ECS实例，将请求分发给正常运行的ECS实例，保证应用系统仍能正常工作

2.3.4 同城容灾 （多可用区容灾）

• 为了提供更加稳定可靠的负载均衡服务，阿里云负载均衡已在各地域部署了多可用区以实现同地域容灾。当主可用区出现机房故障或不可用时，负载均衡仍然有能力在非常短的时间内（如：大约30s中
  断）切换到另外一个备可用区恢复服务能力；当主可用区恢复时，负载均衡同样会自动切换到主可用区提供服务。

• 使用负载均衡时，您可以将负载均衡实例部署在支持多可用区的地域以实现同城容灾。此外，建议您结合自身的应用需要，综合考虑后端服务器的部署。如果您的每个可用区均至少添加了一台ECS实例，那么此种部署模式下的负载均衡服务的效率是最高的。

2.4 LVS 集群类型中的术语

• VS：Virtual Server，Director Server(DS), Dispatcher(调度器)，Load Balancer（lvs服务器）

• RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)（真实服务器）

• CIP：Client IP（客户机IP）

• VIP：Virtual serve IP VS外网的IP

• DIP：Director IP VS内网的IP

• RIP：Real server IP （真实IP

三、 LVS 工作模式和相关命令

3.1 LVS 集群的工作模式

• 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-nat：修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT

  • lvs-dr：操纵封装新的MAC地址（直接路由）

  • lvs-tun：隧道模式

3.1.1 LVS 的NAT模式

lvs-nat：本质是多目标IP的DNAT，通 过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某处的RS的RIP和PORT实现转发

（1）RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP

（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈

（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT

（4）VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统

3.1.2 IP隧道

RIP和DIP可以不处于同一物理网络中，RS的网关一般不能指向DIP,且RIP可以和公网通信。也就是

说集群节点可以跨互联网实现。DIP, VIP, RIP可以是公网地址。

RealServer的通道接口上需要配置VIP地址，以便接收DIP转发过来的数据包，以及作为响应的

报文源IP。

DIP转发给RealServer时需要借助隧道，隧道外层的IP头部的源IP是DIP，目标IP是RIP，而

RealServer响应给客户端的IP头部是根据隧道内层的IP头分析得到的，源IP是VIP，目标IP是CIP

请求报文要经由Director，但响应不经由Director,响应由RealServer自己完成

不支持端口映射

RS的OS须支持隧道功能

一般来说，隧道模式常会用来负载调度缓存服务器组，这些缓存服务器一般放置在不同的网络环境，可以就近
折返给客户端。在请求对象不在Cache服务器本地命中的情况下，Cache服务器要向源服务器发送请求，将结
果取回，最后将结果返回给用户。

3.1.3 直接路由

• 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

直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，

源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；

• 源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变

3.1.4 LVS工作模式总结和比较

	NAT	TUN	DR
优点	端口转换	WAN	性能最好
缺点	性能瓶颈	服务器支持隧道模式	不支持跨网段
真实服务器要求	any	Tunneling	Non-arp device
支持网络	private（私网）	LAN/WAN（私网/公网）	LAN（私网）
真实服务器数量	low (10~20)	High (100)	High (100)
真实服务器网关	lvs内网地址	Own router（网工定义）	Own router（网工定义）

四、 ipvsadm 工具

4.1 ipvsadm 工具选项说明

选项	解释
-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"-"选项组合使用。ipvsadm -ln

五、NAT模式 LVS负载均衡部署

配置环境

负载调度器：配置双网卡 内网：192.168.137.101(ens32)  外网卡：12.0.0.30(ens35)
二台WEB服务器集群池：192.168.137.102、192.168.137.103 
一台NFS共享服务器：192.168.137.104
客户端：

5.1 配置NFS共享服务器

# 1. 关闭防火墙
systemctl disable --now firewalld
setenforce 0

# 安装nfs服务
yum -y install rpcbind nfs-utils.x86_64 

3. #新建目录，并创建站点文件
[root@localhost opt]# cd /opt
[root@localhost opt]# mkdir kfc mdl
[root@localhost opt]# echo "this is kfc web" > kfc/index.html
[root@localhost opt]# echo "this is mdl web" > mdl/index.html

4. 开启服务
[root@localhost opt]# systemctl start rpcbind
[root@localhost opt]# systemctl start nfs

5. 授权
chmod 777 kfc mdl
6. # 设置共享策略
vim /etc/exports

/opt/kfc 192.168.137.0/24(ro)
/opt/mdl 192.168.137.0/24(ro)

7 发布服务
showmount -e

关闭防火墙

安装nfs服务

新建目录，并设置站点文件

授权
设置共享策略

发布服务

5.2 节点 Web 服务器

第一台（192.168.137.103）

1 #关闭防火墙
systemctl disable --now firewalld.service 
 setenforce 0

2.下载nginx服务
yum -y install nginx

3.查看nfs服务目录
showmount -e 192.168.137.104

4. 挂载站点
mount 192.168.137.104:/opt/mdl /usr/share/nginx/html/

5. 开启nginx服务
systemctl restart nginx

6. 指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens32
IPADDR=192.168.137.103
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.137.101

7. 重启网卡
systemctl restart network

挂载站点
配置网关

第二台（192.168.137.102）

操作同第一台web节点服务器

负载调度器

内网：192.168.137.101（ens32） 外网：12.0.0.30 （ens34）

配置SNAT转发规则


加载LVS内核模块

安装 ipvsadm管理工具

启动服务前需要保存负载分配策略


客户端