一.什么是集群

1.集群的含义

（1）cluster，集群、群集

（2）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(域名与IP地址)，相当于一台大型计算机。

二.集群使用在那个场景

（1）用在高并发

（2）高可用，访问流量多的时候

三.集群的分类

1.负载均衡器集群

（1）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

（2）LB的负载分配依赖于主节点的分流算法
（3）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“代理”等。

2.高可用集群

（1）提高应用系统的可靠性，尽可能的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。

（2）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

3.高性能运算集群

（1）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

（2）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。

四.负载集群的架构

1.第一层，负载调度器

访问整个集群系统的唯一入口，对外使用所有服务器共有的vip地址，也称为集群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。

2.第二层，服务器池

集群所提供的应用服务，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

3.第三层，共享存储

为服务器池中的所以节点提供稳定，一致的文件存取服务，确保整个集群的统一性。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。

五.负载均衡集群的工作模式

1.地址转换 （NAT模式）

(1)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

(2)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.IP隧道 （TUN模式）

(1)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，而不在经过负载调度器

(2)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，通过专用的ip隧道与负载调度器相互通信

3.直接路由 （DR模式）

(1)采用半开放式的网络结构，与TUN模式的结构累死，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

(2)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。

六.LVS虚拟服务器

1.LVS概述

（1）Linux Virtual Server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

（2）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。

（3）官方网站：http://www.linuxvirtualserver.org

2.LVS组成

（1）Lvs是基于内核态的net filter框架实现的IPVS功能，工作在内核态，用户配置VRRP

（2）ipvsadm是lvs用户态的配套工具，可以实现VID华人RS的增删改查

3.LVS作用

（1）主要用于多服务器的负载均衡

（2）工作在网络层，可实现高性能高可用的服务集群技术

（3）廉价，可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器

（4）易用，配置简单 有多重负载均衡的方法

（5）稳定可靠，即使在集群的服务器中某台服务器无法正常工作，也不影响整体效果

（6）可扩展性好

4.LVS和nginx比较

（1）Lvs比nginx具有更强的抗负载能力，性能高 对内存和CPu资源消耗低

（2）LVS工作在网络层，网络依懒性大，稳定性高。nginx安装配置比较简单，网络性依赖小

（3）LVS不支持正则匹配处理，无法实现动静分离效果，nginx可以实现动静分离这方面的功能

（4）LVS适用的协议范围广，nginx仅支持HTTP和HTTPS、Email协议，适用范围小

七.LVS负载调度算法

1.轮询（rr）

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），均等的对待每一个服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载

2.加权轮询（wlc）

（1）根据调度器设置的权重值分发请求，权重值高的节点优先获得任务，分配的请求数越多

（2）保证性能强的服务器承担更多的访问流量

3.最少连接

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

4.加权最少连接

（1）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

（2）性能较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

八.实战部署步骤及需求

1.使用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

1.1 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

2.NFS共享存储服务

2.1 网络文件系纺

• 依赖于RPC(远端过程调用)
• 需安装nfs-utils、rpcbind软件包
• 系统服务: nfs、rpcbind
• 共享配置文件: /etc/exports

2.2 在客户机中访问NFS共享资源

• 安装rpcbind软件包，并启动rpcbind服务
• 手动挂载NFS共享目录
• fstab自动挂载设置

3.案例环境及部署图示

LVS调度器作为Web服务器池的网关，LVS两块网卡，分别连接内外网，使用轮询 (rr) 调度算法

九.案例：LVS-NAT部署实战

Lvs负载调度器：ens33：192.168.186.40 ens37：10.0.0.1（Vmnet3）

web1节点服务器1：192.168.186.20

web2节点服务器2：192.168.186.30

NFS服务器：192.168.186.10

客户端（win10）：10.0.0.13（Vmnet 3）

注：

• win10虚拟机（客户端）网卡设置为10.0.0.1
• web服务器网关设置为 192.168.10.19

1.部署共享存储（NFS服务器：192.168.186.10）

#关闭防火墙、安全机制
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

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

#开启nfs-utils.x86_64 rpcbind.x86_64
systemctl start nfs.service 
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable nfs.service 
systemctl enable rpcbind.service

#创建共享目录、赋予权限
mkdir /opt/tantaijin /opt/yexiwu
chmod 777 /opt/tantaijin/ /opt/yexiwu/

#创建共享文件及地址
vim /etc/exports

/usr/share *(ro,sync)
/opt/tantaijin 192.168.186.0/24(rw,sync)
/opt/yexiwu 192.168.186.0/24(rw,sync)

#发布共享
exportfs -rv
#查看共享
showmount -e

2.配置节点服务器（后端服务器）

web1节点服务器1：192.168.186.20

web2节点服务器2：192.168.186.30

#关闭防火墙、安全机制
systemctl stop firewalld.service 
systemctl disable firewalld.service 
setenforce 0

2.1修改网卡网关为LVS服务器

#安装http
yum install -y httpd
systemctl start httpd.service 
systemctl enable httpd.service

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

#查看共享存储
showmount -e 192.168.186.10

2.2 web1：192.168.186.20

#挂载
mount.nfs 192.168.186.10:/opt/tantaijin /var/www/html/
#查看挂载
df -h

#写入
echo '魔神' > /var/www/html/index.html

#永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.186.10:/opt/tantaijin /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
#刷新
mount -a

网卡需要将外网的服务器网关指向LVS调度器，将内网的服务器网关也指向LVS调度器，因此网关需要修改为40

systemctl restart network

2.3 web2：192.168.186.30

#挂载
mount.nfs 192.168.186.10:/opt/yexiwu /var/www/html/
#查看挂载
df -h

#写入
echo '黎苏苏' > /var/www/html/index.html

#永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.186.10:/opt/yexiwu /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
#刷新
mount -a

网卡需要将外网的服务器网关指向LVS调度器，将内网的服务器网关也指向LVS调度器，因此网关需要修改为40

systemctl restart network

3.配置负载调度器LVS（ens33：192.168.186.40 ens37：10.0.0.1（Vmnet3）

需要添加一张虚拟网卡（网络适配器）并且选择Vmnet3

win7虚拟机的地址需要手动改

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

198.168.186.40虚拟机

3.1配置SNAT转发规则

在配置之前可以先安装ipvsadm管理工具，防止后面更改完无法获取下载

yum install -y ipvsadm

#复制网卡、修改地址等
cp /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens37
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
vim ifcfg-ens37

vim ifcfg-ens33

systemctl restart network

37网卡uuID要删掉

vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward=1
#查看
sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
或者：echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

#清除iptables的规则、策略
iptables -t nat -F
#查看清除后的iptables
iptables -F

iptables -t nat -nL

#配置iptables
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.186.0/24 -o ens37 -j SNAT --to-source 10.0.0.1

iptables -nL -t nat

注：

nat表:修改数据包中的源、目标IP地址或端口
POSTROUTING: 在进行路由判断之"后"所要进行的规则(SNAT/MASQUERADE)
PREROUTING: 在进行路由判断之"前"所要进行的规则(DNAT/REDIRECT)
-A: 在规则链的末尾加入新规则
-s: 匹配来源地址IP/MASK.
-o 网卡名称匹配从这块网卡流出的数据
-i 网卡名称匹配从这块网卡流入的数据
-j 控制类型

3.2 加载LVS内核模块

#手动加载ip_vs模块
modprobe ip_vs
#查看ip_vs版本信息
cat /proc/net/ip_vs

3.3 安装ipvsadm管理工具

yum install -y ipvsadm

#注意：启动服务前必须保存负载分配策略，否则将会报错
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者
touch /etc/sysconfig/ipvsadm

systemctl start ipvsadm.service

3.4 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

#清除原有策略
ipvsadm -C     #清除原有策略
ipvsadm -A -t 10.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 192.168.186.20:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 192.168.186.30:80 -m -w 1

-A 添加虚拟服务器
-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 (后端节点服务器)
-t 指定 VIP地址及 TCP端口
-m 表示使用 NAT群集模式.
-w 设置权重 (权重为 0 时表示暂停节点)

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

测试：
在win10上使用浏览器访问10.0.0.1，刷新浏览器测试负载均衡
PS:刷新间隔时间需要稍长一点

F5刷新

总结

1.集群和什么场景使用

集群就是将多态主机作为一个整体对外提供相同的服务

2.集群分类(三种)

• 负载均衡器主要是 减少响应延迟，提供并发处理能力强调
• 高可用主要是系统稳定性，减少服务中断时间，减少损失
• 高性能主要是高性能运算能力 分布式的并发

3.负载均衡集群的架构

• 用户通过VRRP进行访问
• 负载调度器是通过调度算法，以及RIP发送
• 节点服务池是所有服务器用的资源通过
• 共享存储是提供网站 ，存储资源

4.负载均衡集群工作模式

• 地址转换(NAT模式)
  调度作为网关，是访问请求的入口。也是响应访问的出口，在高并发场景当中负载压力很高，NAT地址转换可以提高安全性

• IP隧道（TUN模式）

  仅是访问请求的入口，响应数据不经过调度器，但是需要大量的公网地址IP，还需要专用的IP隧道（成本太高）数据转发受IP隧道的影响

• 直接路由（DR模式）

  仅是访问请求的入口，响应数据不经过调度器，节点服务器和调度器在同一个物理网络中数据转发不受额外影响（因为同在公网中）

5. 内核态、用户态

5.1 内核态、用户态概念

• 内核态：也叫内核空间，是内核进程/线程所在的区域。主要负责运行系统、硬件交互。
• 用户态：也叫用户空间，是用户进程/线程所在的区域。主要用于执行用户程序。

5.2 内核态和用户态的区别

• 内核态：运行的代码不受任何限制，CPU可以执行任何指令。

• 用户态：运行的代码需要受到CPU的很多检查，不能直接访问内核数据和程序，也就是说不可以像内核态线程一样访问任何有效地址。

  操作系统在执行用户程序时，主要工作在用户态，只有在其执行没有权限完成的任务时才会切换到内核态。

5.3 为什么要区分内核态和用户态

保护机制。防止用户进程误操作或者是恶意破坏系统。内核态类似于C++的私有成员，只能在类内访问，用户态类似于公有成员，可以随意访问。

5.4 用户态切换到内核态的方式

• 系统调用（主动：由于用户态无法完成某些任务，用户态会请求切换到内核态，内核态通过为用户专门开放的中断完成切换。

• 异常（被动）：在执行用户程序时出现某些不可知的异常，会从用户程序切换到内核中处理该异常的程序，也就是切换到了内核态。

• 外围设备中断（被动）：外围设备发出中断信号，当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进程处理，如果中断之前CPU执行的是用户态程序，就相当于从用户态向内核态的切换。