[系统运维]LVS负载均衡群集及部署LVS-NAT实验

群集的含义

Cluster,集群、群集
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。

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

使用价格昂贵的小型机、大型机

使用普通服务器构建服务群集
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P地址对外提供相同的服务。
在企业中常用的一种群集技术——LVS(Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器)

如果负载均衡使用哈希或者url-hash，当高并发状态下，服务器tomcat负载量超额，可能会挂挡，造成雪崩情况

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：**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”

负载均衡集群，weight权重影响对象的一个请求/最小连接

**高可用群集：**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

高可用集群用主备服务器可处理单点故障，还可以冗余，备份

**高性能运算群集：**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

高性能集群，分布式分配

负载均衡群集架构

一、负载调度器

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。

二、服务器池

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。

三、共享存储

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。

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

**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

**IP隧道：**lPTunnel，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lnternet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

**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

LVS的负载调度算法

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)，均等地对待每一台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载
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

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
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

LVS群集创建与管理

关于LVS虚拟服务器

• Linux Virtual Server

• 针对Linux内核开发的负载均衡解决方案

• 1998年5月，由我国的章文嵩博士创建

• 官方网站：http://www.linuxvirtnalserver.orgl

• 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centOS7系统中，以下操作可以手动加载ip_vs模块，井查看当前系统中ip_vs模块的版本信息。
  modprobe ip _vs

  cat /proc/net/ip_vs 确认内核对LVS的支持
  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、步骤
1、创建虚拟服务器
2、添加、删除服务器节点
3、查看群集及节点情况工
4、保存负载分配策略
LVs的管理工具是ipvsadm

②、ipvsadm工具选项说明
-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“-l”选项组合使用。ipvsadm -ln

③、实际案例
环境：LVs调度器作为Web服务器池的网关，LVs具有两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr)调度算法。

NFS共享存储服务

Network File System,网络文件系统

• 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

使用NFS发布共享资源

• 安装nfs-utils、rpcbind软件包

• 设置共享目录

• 启动NFS服务程序

• 查看本机发布的NFS共享目录

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

LVS负载均衡群集部署

LVS负载调度器：ens33：192.168.80.10 ens35：192.168.20.2（vmnet2）
Web节点服务器1：192.168.80.20
Web节点服务器2：192.168.80.30
NFS服务器：192.168.80.80
客户端（win7）：192.168.20.11（vmnet2）
PS:
⑨win7虚拟机（客户端）网关设置为192.168.20.2
@ web服务器网关设置为192.168.80.10

1、部署共享存储

[root@80 ~]# systemctl  stop firewalld
[root@80 ~]# systemctl  disable firewalld
[root@80 ~]# setenforce  0
setenforce: SELinux is disabled
[root@80 ~]# yum install -y nfs-utils  rpcbind
[root@80 ~]# systemctl start nfs.service
[root@80 ~]# systemctl start rpcbind.service
[root@80 ~]# systemctl enable nfs.service
[root@80 ~]# systemctl enable rpcbind.service
[root@80 ~]# mkdir /opt/kgc/ /opt/benet/
[root@80 ~]# chmod 777 /opt/kgc/ /opt/benet/
[root@80 ~]# vim  /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/kgc 192.168.80.0/24(rw,sync)
/opt/benet 192.168.80.0/24(rw,sync)


#发布共享
[root@80 ~]# exportfs -rv
[root@80 ~]# showmount -e

2、配置节点服务器

#web1：192.168.80.20

[root@20 ~]# systemctl  stop firewalld
[root@20 ~]# systemctl  disable firewalld
[root@20 ~]# setenforce  0
setenforce: SELinux is disabled

#修改网卡网关为LVS服务器
[root@20 ~]# yum install -y httpd
[root@20 ~]# systemctl start httpd.service
[root@20 ~]# systemctl enable httpd.service

[root@20 ~]# yum install -y nfs-utils rpcbind
[root@20 ~]# systemctl start rpcbind.service
[root@20 ~]# systemctl enable rpcbind.service

[root@20 ~]# showmount -e 192.168.80.80
Export list for 192.168.80.80:
/usr/share *
/opt/benet 192.168.80.0/24
/opt/kgc   192.168.80.0/24

#web1：192.168.80.20

[root@20 ~]# mount.nfs 192.168.80.80:/opt/kgc /var/www/html/
[root@20 ~]# echo 'this is kgc' > /var/www/html/index.html
[root@20 ~]# vim /etc/fstab
192.168.80.80:/opt/kgc  /var/www/html       nfs     defaults,_netdev  0 0 
[root@20 ~]# mount -a

#web2：192.168.80.30

[root@30 ~]# systemctl  stop firewalld
[root@30 ~]# systemctl  disable firewalld
[root@30 ~]# setenforce  0
setenforce: SELinux is disabled

#修改网卡网关为LVS服务器
[root@30 ~]# yum install -y httpd
[root@30 ~]# systemctl start httpd.service
[root@30 ~]# systemctl enable httpd.service

[root@30 ~]# yum install -y nfs-utils rpcbind
[root@30 ~]# systemctl start rpcbind.service
[root@30 ~]# systemctl enable rpcbind.service

[root@30 ~]# showmount -e 192.168.80.80
Export list for 192.168.80.80:
/usr/share *
/opt/benet 192.168.80.0/24
/opt/kgc   192.168.80.0/24

#web2：192.168.80.30

[root@30 ~]# mount.nfs 192.168.80.80:/opt/benet /var/www/html/
[root@30 ~]# echo 'this is benet' > /var/www/html/index.html
[root@30 ~]# vim /etc/fstab
192.168.80.80:/opt/benet  /var/www/html    nfs     defaults,_netdev  0 0 
[root@30 ~]# mount -a

3、配置负载调度器LVS

[root@10 ~]# systemctl  stop firewalld
[root@10 ~]# systemctl  disable firewalld
[root@10 ~]# setenforce  0
setenforce: SELinux is disabled

配置SNAT转发规则

[root@10 ~]# vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
[root@10 ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1

或者：echo ‘1’ >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward

[root@10 ~]# iptables -t nat -F
[root@10 ~]# iptables -F 
[root@10 ~]# iptables -t nat -nL
Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source    destination
Chain INPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source    destination
Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source    destination
Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source    destination

[root@10 ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.80.0/24 –o ens35 -j SNAT –-to-source 192.168.20.2

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

加载LVS内核模块
#手动加载ip_vs模块

[root@10 ~]# modprobe ip_vs

#查看ip_vs版本信息

[root@10 ~]# 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
TCP  C0A81402:0050 rr  
  -> C0A8501E:0050      Masq    1      0          0         
  -> C0A85014:0050      Masq    1      0          0  

安装ipvsadm管理工具

[root@10 ~]# 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

[root@10 ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

或者
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者
touch /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）
#清除原有策略

[root@10 ~]# ipvsadm -C
[root@10 ~]# ipvsadm -A -t 192.168.20.2:80 -s rr
[root@10 ~]# ipvsadm -a -t 192.168.20.2:80 -r 192.168.80.20:80 -m -w 1
[root@10 ~]# ipvsadm -a -t 192.168.20.2:80 -r 192.168.80.30:80 -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：1c、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）

[root@10 ~]# ipvsadm       #启动策略
[root@10 ~]# ipvsadm -ln   #查看节点状态，Masq代表 NAT模式
[root@10 ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm   #保存策略

[root@10 ~]# ipvsadm -d -t 192.168.100.10:80 -r 192.168.226.129:80 -m -w 1  #删除群集中某一节点服务器
[root@10 ~]# ipvsadm -D -t 192.168.100.10:80   #删除整个虚拟服务器
[root@10 ~]# systemctl stop ipvsadm   #停止服务（清除策略）
[root@10 ~]# systemctl start ipvsadm   #启动服务（重建规则）
[root@10 ~]# ipvsadm-restore > /etc/sysconfig/ipvsadm   #恢复LVS策略

测试
在win7上使用浏览器访问192.168.20.2，刷新浏览器测试负载均衡
PS：刷新间隔时间需要稍长一点

LVS-NAT模式：
简单来说，就是通过防火墙规则+LVS-ipvsadm管理工具，
①先做内外网地址转换（映射iptables工具）
iptables –t nat -A POSTROUTING –s 192.168.80.0/24 -o ens35 –i SNAT -–to-source 192.168.20.2
②基于LVS-NAT模式的RR轮询策略，对于HTTP访问的请求，以轮询的方式转发给后端（使用LVS的ipVsadm工具来控制的）
原理：先定义一个虚拟主机（外网的网卡）
ipvsadm -A -t 192.168.20.2
然后，再定义从这台虚拟主机的网卡进入的流量应该对应指向后端的哪个服务器池，以及以什么模式、什么权重
PS: ipvsadm -a -t 192.168.20.2:80 -r 192.168.80.20:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 192.168.20.2:80 -r 192.168.80.30:80 -m -w 1
PS：实验时，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