LVS负载均衡群集及VS/NAT部署

news2024/11/6 11:34:52

一、企业群集应用概述

1.群集的含义

群集（Cluster），又称集群。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IP地址），相当于一台大型计算机。

但是在互联网应用中，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（纵向扩展，提升性能）
  • 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。（横向扩展，提升数量）

在企业中常用的一种群集计数——LVS（Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器）。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。

2.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

2.1 负载均衡群集（Load Balance Cluster）

  • 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

2.2 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

2.3 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

二、负载均衡群集

1.负载均衡的结构

1.1 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。

1.2 第二层  服务池（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。

1.3 第三层  共享存储（Share Storage）

为服务器池中所有节点提供稳定、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。

2.负载均衡群集工作模式

VS/NAT(nat 模式）

VS/DR(路由模式）

VS/TUN(隧道模式）

2.1 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 

2.2 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

2.3 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

三、LVS虚拟服务器

基于Linux内核开发的，LVS相当于是基于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。

modprobe ip_vs        #加载 ip_vs 模块
cat /proc/net/ip_vs    #查看 ip_vs 模块的版本信息

uname -r              #查看系统内核
#查看 ip_vs 支持的所有模块
ls /usr/lib/modules/3.10.0-1160.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/

1.LVS的负载调度算法

1.1 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（real server），均等地对待每一台服务器，而管服务器实际的连接数和系统负载

1.2 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，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

1.3 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

1.4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。

假设各台真实服务器的权重值依次为Wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次去Ti / Wi 为最小的真实服务器作为下一个分配的真实服务器

1.5目的地址哈希调度（destination hashing）

简称 dh ，以目的地址为关键字查找一个静态hash表来获得所需真实服务器

1.6源地址哈希调度（source hashing）

简称 sh ，以源地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的真实服务器

1.7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个真实服务器，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真实服务器，并以它作为下一次分配的首先考虑

2.ipvsadm工具

ipvsadm 常用选项：
-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(rr wrr lc 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（默认关闭连接保持）
-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

四、LVS-NAT部署

1.配置NFS共享专用服务器

将192.168.88.10作为nfs服务器
#关闭防火墙
systemctl disable --now firewalld
setenforce 0
#安装rpcbind nfs-utils
rpm -q rpcbind nfs-utils   #查看是否安装
yum -y install rpcbind nfs-utils 
#准备挂载目录及文件
mkdir -p /data/hello
mkdir -p /data/world
echo '<h1>this is hello web!</h1>' > hello/index.html
echo '<h1>this is world web!</h1>' > world/index.html
#修改nfs配置文件
vim /etc/exports
/data/hello 192.168.88.0/24(ro)
/data/world 192.168.88.0/24(ro)

systemctl enable --now rpcbind nfs   #启动服务，必须先启动rpcbind服务，后启动nfs服务

showmount -e

2.配置节点服务器

将192.168.88.30，192.168.88.40作为节点服务器
#关闭防火墙
systemctl disable --now firewalld
setenforce 0
#配置nginx在线源，安装nginx
vim /etc/yum.repos.d/nginx.repo
[nginx-stable]
name=nginx stable repo
baseurl=http://nginx.org/packages/centos/7/$basearch/
gpgcheck=0
enabled=1

yum -y install nginx

2.1配置192.168.88.30的节点服务器

配置192.168.88.30的节点服务器

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33  
#修改网关
GATEWAY=192.168.88.20

systemctl restart network
#查看共享规则
showmount -e 192.168.88.10 
#将nfs共享目录挂载在节点服务器上
mount 192.168.88.10:/data/hello /usr/share/nginx/html
cat /usr/share/nginx/html/index.html

 2.2配置192.168.88.40的节点服务器

配置192.168.88.40的节点服务器

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33  
#修改网关
GATEWAY=192.168.88.20

systemctl restart network
#查看共享规则
showmount -e 192.168.88.10 
#将nfs共享目录挂载在节点服务器上
mount 192.168.88.10:/data/hello /usr/share/nginx/html
cat /usr/share/nginx/html/index.html

3. 配置调度器

设置两张网卡：ens35 将IP地址设为12.0.0.100/24
             ens33 IP地址：192.168.88.20/24

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
#配置SNAT转发规则
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
#加载配置
sysctl -p 

#情况规则
iptables -t nat -F
iptables -F
#配置转发规则
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.80.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

#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

#安装ipvsadm 管理工具
yum -y install ipvsadm
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service

#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 12.0.0.100:80 -s rr [-p 60]
ipvsadm -a -t 12.0.0.100:80 -r 192.168.80.30:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.100:80 -r 192.168.80.40:80 -m [-w 1]
ipvsadm						#启用策略

ipvsadm -ln					#查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm-save > /opt/ipvsadm						#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm					            #恢复LVS 策略

4.测试

在一台IP为12.0.0.123的客户机，客户机网关为：12.0.0.100
使用浏览器访问 http://12.0.0.100/ ，
不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点（或者关闭Web服务的连接保持）。

不断刷新，会在hello web 和 world web 之间跳转

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