[系统运维]LVS负载均衡集群

目录

引言

一、群集的含义

1.1、系统性能扩展方式

1.2 、集群解决的方法

?二、群集的三中类型

2.1、负载均衡集群

2.2、高可用集群

2.3、高性能运算集群、

三、负载集群架构

3.1、负载调度器

3.2、服务器池

3.3、共享储存

四、负载均衡集群工作模式分析

4.1、NAT模式（地址转换）

4.2、TUN隧道模式

4.3、DR模式（直接路由）

五、LVS虚拟服务器

5.1、LVS的组成及作用

5.2、LVS与Nginx功能对比

5.3、软件负载均衡的种类

六、LVS的负载调度算法

1、轮询

2、加权轮询

3、最少连接

4、加权最少连接

七、LVS相关的术语及说明

八、 ipvsadm工具

引言

如今，在各种互联网应用中，随着站点对硬件性能、响应时间和速度、服务稳定性、数据可靠性等要求也越来越高，单台服务器也将难以无法承受所有的访问需求。

一、群集的含义

集群、也叫群集

有多台主机构成，单对外，只表现为一个整体，只提供一个访问入口（域名或者IP）相当于一台大型计算机。

1.1、系统性能扩展方式

垂直扩展：

垂直扩展，增强，性能更强的剪辑运行同样的服务

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

为什么垂直扩展不再提及？

在互联网业务发展非常迅猛的早期，如果预算不是问题，强烈建议使用“增强单机硬件性能”的方式提升系统并发能力，因为这个阶段，公司的战略往往是发展业务抢时间，而“增强单机硬件性能”往往是最快的方法。不管是提升单机硬件性能，还是提升单机架构性能，都有一个致命的不足：单机性能总是有极限的。所以互联网分布式架构设计高并发终极解决方案还是水平扩展。水平扩展：只要增加服务器数量，就能线性扩充系统性能。

1.2 、集群解决的方法

①使用一些昂贵的小型机，大型机。

②使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。

③通过整合多台服务器，使用LVS来达到服务器高可用和负载均衡，并与同一个IP地址对外提供相同的服务。

④在数据量很大的情况下，数据层（缓存，数据库）涉及数据的水平扩展，将原本存储在一台服务器上的数据（缓存，数据库）水平拆分到不同服务器上去，以达到扩充系统性能的目的。

?二、群集的三中类型

根据集群针对的目标差异，可分为三种

负载均衡集群
高可用集群
高性能集群

2.1、负载均衡集群

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。

2.2、高可用集群

提高应用系统的可靠性、尽可能地减少中断时间，确保服务得连续性，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，双工即只有节点同事在线；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。

2.3、高性能运算集群、

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“分布式计算”、“并行运算”通过专用硬件和软件将多个服务的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机能力。

三、负载集群架构

负载均衡的结构

第一层：负载调度器

第二层：服务器池

第三层：共享存储

3.1、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IP地址也称为集群IP地址。通吃昂也会配主。备两台服务器以实现热备份，当调度器失效后能够平滑替代至备用调度器，确保高可用性。

3.2、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（真是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开来，等待错误被排除以后在重新纳入服务器池。

3.3、共享储存

为服务器中所有节点提供稳定，一致的文件存取服务，确保整个集群的统一性共享储存可以使用NAS设备，或者提供NFS共享服务的专用服务。

四、负载均衡集群工作模式分析

负载均衡集群是目前企业用的最多的集群类型

集群的负载均衡调度有三种工作模式

地址转换（NAT模式）
IP隧道（TUN模式）
直接路由（DR模式）

4.1、NAT模式（地址转换）

类似于防火墙的私有网络结构，负载均衡器作为所有服务器节点的网关，即作为客户机的访问入口，也是各个节点回应客户机的访问出口。

服务器节点使用的私有IP地址，与负载均衡器位于同一个物理网络，安全性要由于其他两种方式

4.2、TUN隧道模式

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，各个节点通过各自的Internet连接直接回应客户端，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地址通过专用的IP隧道与负载调度器相互通信。

4.3、DR模式（直接路由）

采用半开放式的网络结构，与TUN模式的结构有点相似，但是各个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。

1、NAT模式：只需要一个公网IP地址，是最易用的一种负载均衡模式，安全性较好。
2、TUN模式和DR模式：负载能力强大，使用范围较广，节点安全性较差

五、LVS虚拟服务器

LVS实际相当于基于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。

使用LVS可以达到的技术目标是：通过LVS达到的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能可用的Linux服务器集群，具有良好的可靠性、可扩展性和操作性。从而以低廉的成本实现最有的性能。LVS是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享储存层。

5.1、LVS的组成及作用

IPVS（ip virtual server）：LVS是基于内核态的netfilter框架实现的IPVS功能，工作在内核态。用户配置VIP等相关信息并传递给IPVS就需要用到ipvsadm工具。

ipvsadm：ipvsadm是LVS用户态的配套工具，可以实现VIP和RS的增删改查功能，是基于netlink或raw socket方式与内核LVS进行通信的，如果LVS类比于netfilter，那ipvsadm就是类似于iptables工具的地位。

作用：

主要用于多服务器的负载均衡；

工作在网络层，可以实现高性能，高可用的服务器集群技术；

价格低廉，可以把很多低性能的服务器组合在一起形成一个超级计算器；

易用，配置简单，有多种负载均衡的方法；

稳定可靠，即使在群集的服务器中某台服务器无法正常工作，也不影响整体效果；

5.2、LVS与Nginx功能对比

LVS比Nginx具有更强的抗负载能力，性能高，对内存和CPU资源消耗较低；

LVS工作在网络层，具体流量由操作系统内核进行处理，Nginx工作在应用层，针对HTTP应用实施一些分流政策。

LVS安装配置比较复杂，网络依赖较大，稳定性高，nginx安装配置较简单，网络依赖性小；

LVS不支持正则匹配处理，无法实现动静分离效果。nginx可实现这方面的功能；

LVS适用的协议范围广。nginx仅支持HTTP、HTTPS、Email协议，适用范围小；

5.3、软件负载均衡的种类

Nginx：支持4层/7层负载均衡，支持HTTP、E-mail协议

LVS：纯4层负载均衡，运行在内核态，性能是软件负载均衡中最高的

HAproxy：是7层负载均衡软件，仅支持7层规则的设置，性能也不错

优点：

简单、灵活、便宜（直接在linux操作系统中安装上述所使用的的软件负载均衡，部署及维护较简单，4层和7层负载均衡可根据业务进行选择也可以根据业务特点进行选择，相对比较方便进行扩展及定制功能）

六、LVS的负载调度算法

1、轮询

将收到的访问请求按顺序轮流分配给群集中的各节点（真是服务器）均等的对待每一台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载

2、加权轮询

根据调度器设置的权重值来分发请求，权重高的节点有线火的任务，分配的请求越多的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级分配给连接数最少的节点

4、加权最少连接

在服务器节点的性能差异较大时，可以为真实的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

七、LVS相关的术语及说明

1. DS(Director Server)?? ?前端负载均衡节点服务器

2. RS(Real Server)?? ?后端真实服务器

3. CIP(Client IP)?? ?客户端 IP 地址

4. VIP (Virtual IP)?? ?负载均衡对外提供访问的 IP 地址，一般负载均衡 IP 都会通过 Virtual IP 实现高可用

5. RIP (RealServer IP)?? ?负载均衡后端的真实服务器 IP 地址

6. DIP?? ?负载均衡与后端服务器通信的 IP 地址

7. CMAC?? ?客户端 MAC 地址，LVS 连接的路由器的 MAC 地址

8. VMAC?? ?负载均衡 LVS 的 VIP 对应的 MAC 地址

9. DMAC?? ?负载均衡 LVS 的 DIP 对应的 MAC 地址

10. RMAC?? ?后端真实服务器的 RIP 地址对应的 MAC 地址

八、 ipvsadm工具

1. 选项?? ?功能

2. -A?? ?添加虚拟服务器

3. -D?? ?删除整个虚拟服务器

4. -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）

5. -a?? ?表示添加真实服务器（节点服务器）

6. -d?? ?删除某一个节点

7. -t?? ?指定 VIP地址及 TCP端口

8. -r?? ?指定 RIP地址及 TCP端口

9. -m?? ?表示使用 NAT群集模式

10. -g?? ?表示使用 DR模式

11. -i?? ?表示使用 TUN模式

12. -w?? ?设置权重（权重为 0 时表示暂停节点）

13. -p 60?? ?表示保持长连接60秒

14. -l?? ?列表查看 LVS 虚拟服务器（默认为查看所有）

15. -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 -lnjiu