LVS模块
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LVS负载均衡群集
1. 概述
- 群集的含义
- 叫法：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（域名或IP地址），相当于一台大型计算机。
1.1 问题
- 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。
1.2 解决方法
- 使用价格昂贵的小型机、大型机
- 使用多台相对廉价的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IP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）
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（Load Balance Cluster）
-
高可用群集（High Availability Cluster）
- 高性能运算群集（High Performance Computer Cluster）
2.1 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"等
2.2 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
2.3 高性能运算群集
- 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
3. 负载均衡群集架构
- 负载均衡的结构
- 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。
- 第二层，服务器池 (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。
- 第三层，共享存储 (Share Storage)
- 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。
- 第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)
4. LVS负载均衡群集工作模式分析
- 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
- IP隧道
- 直接路由
4.1 NAT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，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，双向流量压力
- 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
4.2 TUN模式
- 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，安全性低
- 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
4.3 DR模式
- 直接路由（企业中用的最多，首选，性能最好）
- 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
5.关于 LVS 虚拟服务器
5.1 LVS
-
Linux Virtual Server
- 基于 Linux 内核开发的负载均衡解决文案
- 1998年5月，我国的章文嵩博士创建
- 官方网站：http://www.linuxvirtualserver.org/
- 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 CentOS 7 系统中，使用 modprobe ip_vs 可以加载 ip_vs 模块，cat /proc/net/ip_vs 可以查看当前系统中的 ip_vs 模块的版本信息
[root@localhost ~]#cat /proc/net/ip_vs
cat: /proc/net/ip_vs: 没有那个文件或目录
[root@localhost ~]#modprobe ip_vs
[root@localhost ~]#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
[root@localhost ~]#cd /usr/lib/modules
[root@localhost modules]#ls
3.10.0-693.el7.x86_64
[root@localhost modules]#cd 3.10.0-693.el7.x86_64/
[root@localhost 3.10.0-693.el7.x86_64]#ls
build modules.alias.bin modules.dep modules.modesetting modules.symbols vdso
extra modules.block modules.dep.bin modules.networking modules.symbols.bin weak-updates
kernel modules.builtin modules.devname modules.order source
modules.alias modules.builtin.bin modules.drm modules.softdep updates
[root@localhost 3.10.0-693.el7.x86_64]#cd kernel/
[root@localhost kernel]#ls
arch crypto drivers fs kernel lib mm net sound virt
[root@localhost kernel]#cd net/
[root@localhost net]#ls
6lowpan atm can dccp ipv4 l2tp mac802154 openvswitch sched unix xfrm
802 bluetooth ceph dns_resolver ipv6 llc netfilter packet sctp vmw_vsock
8021q bridge core ieee802154 key mac80211 netlink rfkill sunrpc wireless
[root@localhost net]#cd netfilter/
[root@localhost netfilter]#ls
ipset nfnetlink_queue.ko.xz xt_connlimit.ko.xz xt_nfacct.ko.xz
ipvs nf_synproxy_core.ko.xz xt_connmark.ko.xz xt_NFLOG.ko.xz
nf_conntrack_amanda.ko.xz nf_tables_inet.ko.xz xt_CONNSECMARK.ko.xz xt_NFQUEUE.ko.xz
nf_conntrack_broadcast.ko.xz nf_tables.ko.xz xt_conntrack.ko.xz xt_osf.ko.xz
[root@localhost netfilter]#cd ipvs/
[root@localhost ipvs]#ls
ip_vs_dh.ko.xz ip_vs_lblc.ko.xz ip_vs_nq.ko.xz ip_vs_sed.ko.xz ip_vs_wrr.ko.xz
ip_vs_ftp.ko.xz ip_vs_lblcr.ko.xz ip_vs_pe_sip.ko.xz ip_vs_sh.ko.xz
ip_vs.ko.xz ip_vs_lc.ko.xz ip_vs_rr.ko.xz ip_vs_wlc.ko.xz
[root@localhost ipvs]#pwd
/usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs
[root@localhost ipvs]#for i in `ls /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/`
> do
> echo $i | awk -F. '{print $1}'
> done
ip_vs_dh
ip_vs_ftp
ip_vs
ip_vs_lblc
ip_vs_lblcr
ip_vs_lc
ip_vs_nq
ip_vs_pe_sip
ip_vs_rr
ip_vs_sed
ip_vs_sh
ip_vs_wlc
ip_vs_wrr
[root@localhost ipvs]#ls
ip_vs_dh.ko.xz ip_vs_lblc.ko.xz ip_vs_nq.ko.xz ip_vs_sed.ko.xz ip_vs_wrr.ko.xz
ip_vs_ftp.ko.xz ip_vs_lblcr.ko.xz ip_vs_pe_sip.ko.xz ip_vs_sh.ko.xz
ip_vs.ko.xz ip_vs_lc.ko.xz ip_vs_rr.ko.xz ip_vs_wlc.ko.xz
[root@localhost ipvs]#ls ip_vs.ko.xz | grep -o "^[^.]*"
ip_vs
[root@localhost ipvs]#for i in `ls /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/ | grep -o "^[^.]*"`
> do
> echo $i
> done
ip_vs_dh
ip_vs_ftp
ip_vs
ip_vs_lblc
ip_vs_lblcr
ip_vs_lc
ip_vs_nq
ip_vs_pe_sip
ip_vs_rr
ip_vs_sed
ip_vs_sh
ip_vs_wlc
ip_vs_wrr
5.2 LVS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
5.3 LVS负载调度算法
-
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
5.3.1 LVS 调度算法基本分为两类：
-
LVS调度器用的调度方法基本分为两类：
- 固定调度算法：rr、wrr、dh、sh
- 动态调度算法：wlc、lc、lblc
固定调度算法：rr、wrr、dh、sh
**rr**：轮询算法。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
**wrr**：加权较询调度，依据不同RS的权值分配任务，权值较高的RS将优先获得任务，并目分配到的连接数将比权值低的RS更多。相同权值的RS得到相同教目的连接数
**dd**：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一个静态hash表来获得需要的RS
**动态调度算法：wlc、Ic、Iblc**
**wlc**：加权最小连接数调度，假设各台RS的权值依次为Wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次去 Ti/Wi 为最小的RS作为下一个分配的RS
**lc**：最小连接数调度 （least-connection），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
**Iblc**：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。
6. ipvsadm工具
- LVS 群集的创建和管理
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（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
7. LVS-NAT模式配置步骤：
1）配置 NFS 共享存储
2）节点服务器安装 web 服务，注意网关要指向调度器的 IP 地址，测试的时候关闭连接保持
3）调度服务器要设置 IP 路由转发 功能和设置 SNAT 等 iptables 规则，安装 ipvsadm 工具，配置虚拟服务器和真实节点服务器相关配置
4）客户端测试的时候网关要指向调度器的 IP 地址
8. LVS-DR 数据流向：
1）客户端通过 VIP 将访问请求报文（源 IP 为客户端 IP ，目的 IP 为 VIP）
2）调度器通过调度算法选择分发请求的节点服务器，并重新封装数据报文（将源 MAC 改为调度器的 MAC 地址，目的 MAC 地址改为节点服务器的 MAC 地址），再通过交换机转发给节点服务器
3）节点服务器收到请求报文后，确认目的 MAC 和目的 IP 无误后解包并送达到应用层进行处理
4）节点服务器要返回响应报文前，会先重新封装报文（源 IP 为 VIP，目的 IP 为客户端 IP），再将响应报文通过 lo 接口传送给物理网卡，然后直接发送给客户端
9. LVS-DR 模式配置步骤：
1）配置 NFS 共享存储
2）节点服务器安装 Web 服务，在 lo:0 接口配置 VIP，修改内核参数 arp_ignore=1 arp_announce=2，添加路由 route add -host <VIP> dev lo:0
3）调度服务器在 ensXX:0 接口配置 VIP，修改内核参数关闭 IP 路由转发功能和重定向功能 ip_forward=0 send_redirects=0
4）调度服务器安装 ipvsadm 工具，配置虚拟服务器和真实节点服务器相关配置（-g 选择 DR 模式）
5）客户端测试
注意项：如果客户端与调度服务器、节点服务器不在同一个网段，调度服务器，节点服务器的默认网关要指向网关路由器的 IP 地址
