LVS负载均衡群集+NAT部署_云计算lvs集群

一、LVS负载均衡群集

1.群集的定义及作用

1）群集的定义

Cluster，集群（也称群集）由多台主机构成，但对外只表现为一一个整体，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。

2）群集的作用

对于企业服务的的性能提升一般会有两种方式：

纵向扩展 ：  对服务器的CPU 内存 硬盘 等硬件进行升级或者扩容来实现的     性能上限会有瓶颈，成本昂贵，收效比不高等问题

横向扩展 ：  通过增加服务器主机数量来应该高并发的场景

3）群集的目的 

• 提高性能：计算密集应用。如天气预报，核试验模拟。
• 降低成本：相对百万美元的超级计算机，价格便宜。
• 提高可扩展性：只要增加集群节点即可。
• 增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。

4） 企业级群集的类型

负载均衡（LB）：提高应用系统的响应效率，处理更多的访问请求，减少延迟，提高并发和负载能力。 同时也是如今企业运用最多的群集类型。
高可用（HA）： 提高应用系统的可靠性，减少服务中断时间，确保服务的连续性
高性能运算（HPC）：将多台主机的硬件计算资源整合到一起实现分布式运用，比如 云计算
 

二、LVS负载均衡群集运用

1.LVS的相关解释

DS：Director Server。指的是前端负载均衡器。

RS：Real Server。节点服务器，后端真实的工作服务器。

VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。

DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。

RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。

CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

2.负载均衡群集架构

 第一层：负载调度器 ：通过VIP接收用户的请求，再通过调度算法确定要转发的节点服务器

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。 

 第二层：服务器池中的节点服务器   ： 通过RIP接收调度器转发来的请求，并处理请求进行响应

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。

第三层：共享存储 ：为各个节点服务器提供稳定、一致的文件存取服务，比如NAS+NFS，文件服务器+NFS，分布式对象存储等存储设备 

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。（因为节点服务器的资源都是由NAS或NFS提供，所以NAS或NFS需要做主备、或分布式，从而实现高可用。）

 3.  LVS的基本原理

1.当用户向负载均衡器（Director Server）发起请求，调度器将请求发送至内核空间。

2.Prerouting链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发送到INPUT链。

3.IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已经定义好的集群服务进行对比，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发送到POSTROUTING链。

4.POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送到后端的服务器。
 

4.LVS负载均衡的三种模式

群集的负载调度技术有三种工作模式：地址转换（NAT模式） ，直接路由（DR模式），IP隧道（IP-TUN）。对于商用来说，最常用是NAT模式和DR模式。

1） NAT（地址转换）

缺点：调度器作为所有节点服务器的网关，既作客户端的访问入口，也作节点服务器响应的访问出口，也就意味着调度器将成为整个集群系统的瓶颈。

优点：由于再转发过程中做了地址转发，对于节点服务器的安全性比其它模式较好。

调度器至少要有2个网卡，一个承载VIP用于接收客户端的请求，另一个用于使用私有IP在同一个局域网中与节点服务器相互通信。
 

2) DR（直接路由） 

特点： 调度器只负责接收客户端的请求，并根据调度算法转发给节点服务器；节点服务器在处理完请求后是直接响应返回给客户端，响应的数据包不经过调度器。DR模式要求调度器与后端服务器必须在同一个局域网内，VIP地址需要在调度器与后端所有的服务器间共享 。 性能比NAT模式高。调度器和节点服务器使用私有IP在同一个局域网中与节点服务器相互通信
 

3） TUN（IP隧道） 

架构与DR相类似，但是节点服务器分散在互联网各个位置，都具有独立的公网IP，通过专用IP隧道与调度器相互通信 

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。承载的压力比NAT小。
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。
缺点：成本很高。
这种模式一般应用于特殊场景，比如将节点服务器分布在全国各地，防止被物理攻击（如地震、战争等），做灾备。
 

5.LVS的负载调度算法

1）固定调度算法：rr, wrr， dh，sh

rr：轮询算法（Round Robin）

• 将请求依次分配给不同的RS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。
• 将收到的访问请求安装顺序轮流分配给群集指定各节点（真实服务器），均等地对待每一台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载。

wrr：加权轮询调度（Weighted Round Robin）

• 依据不同RS的权重值分配任务。权重值较高的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。
• 保证性能强的服务器承担更多的访问流量。

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。

sh：源地址哈希调度（source hashing）

• 以源地址为关键字查找--个静态hash表来获得需要的RS

 2） 动态调度算法： wlc，lc，lblc 

lc：最小连接数调度（ Least Connections）

• 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。
• 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。

 wlc：加权最小连接数调度（Weighted Least Connections）

• 假设各台RS的权值依次为Wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次取Ti/Wi为最小的RS作为下一个分配的RS。
• 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。

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。

三、 LVS部署的工具和ip_vs通用模块

1. ipvsadm 工具选项说明

2. ip_vs通用模块 

ls /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs

LVS现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调动。

在CentOS 7 系统中，手动加载 ip_vs 模块的命令如下：

 modprobe ip_vs     //手动加载 ip_vs 模块
 ​
 cat /proc/net/ip_vs    //查看当前系统中ip_vs模块的版本信息

四、NAT模式 -LVS负载均衡群集部署

1.实验设备准备

需要五台虚拟机（一台web1服务器，一台web2服务器，一台负载均衡调度器，一台NFS共享存储机，一台外网客户机做测试作用）

各设备的IP设置如下：

负载调度器：内网关 ens33：192.168.190.30，外网关 ens36：12.0.0.1
Web节点服务器1：192.168.190.40
Web节点服务器2：192.168.190.50
NFS服务器：192.168.190.60
客户端：12.0.0.12 

 2.部署共享存储（NFS服务器：192.168.190.60）

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
 
yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service
 
systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service
 
mkdir /opt/kgc /opt/noelle
chmod 777 /opt/kgc /opt/noelle
echo 'this is kgc web!' > /opt/kgc/index.html
echo 'this is noelle web!' > /opt/noelle/index.html
 
vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/web1 192.168.190.0/24(rw,sync)
/opt/web2 192.168.190.0/24(rw,sync)
 
--发布共享---
exportfs -rv

 3.配置节点服务器（192.168.190.40、192.168.190.50）

1)两台web节点服务器相同的操作：

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
vim /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
 
yum install httpd -y
systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service
 
yum install nfs-utils rpcbind -y
showmount -e 192.168.190.60
 
systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

2) web1节点服务器的后续操作

mount.nfs 192.168.190.60:/opt/kgc /var/www/html
 
vim /etc/fstab
192.168.190.60:/opt/kgc		/var/www/html	nfs		defaults,_netdev	0  0
mount -a

 3)web2节点服务器的后续操作：

mount.nfs 192.168.190.60:/opt/web2 /var/www/html
vim /etc/fstab
192.168.190.60:/opt/web2	/var/www/html	nfs 	defaults,_netdev	0  0
 
 
mount -a

 4.配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.190.30，外网关 ens35：12.0.0.30）

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0

  1）配置SNAT转发规则

vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
或 echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl -p
 
iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.190.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

2)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
 
for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done

3)安装ipvsadm 管理工具

yum -y install ipvsadm
 
--启动服务前须保存负载分配策略---
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者 ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
 
systemctl start ipvsadm.service

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）

ipvsadm -C 					#清除原有策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr [-p 60]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.190.40:80 -m [-w 1]
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.190.50:80 -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
-------------------------------------------------------------------------------------------

5) 保存LVS的配置策略以及删除策略的方法

ipvsadm-save > /opt/ipvsadm						#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.190.40:80				#删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80									#删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm										#停止服务（清空策略）
systemctl start ipvsadm										#启动服务（根据/etc/sysconfig/ipvsadm重建配置）
ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm					            #恢复LVS 策略

5.客户机测试

在一台IP为12.0.0.12的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.30/ ，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）。