LVS负载均衡集群——NAT部署

一、企业群集应用概述

1、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(域名或IP地址)，相当于一台大型计算机

2、问题及解决方法

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

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

在企业中常用的一种群集技术–LVS（Linux virtual server,linux虚拟服务器）

注：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

3、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

• 高可用群集

• 高性能运算群集

3.1 负载均衡群集（Load Balance Cluster）

• 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的负载分担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 "反向代理 "

3.2 高可用群集（High Availability Cluster）

• 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

• 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

3.3 .高性能运算群集（High Performance Computer Cluster）

• 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” “网路计算”等

二、负载均衡群集架构

1、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

2、负载均衡群集工作模式分析

负载均衡群集是目前企业用的最多的群集类型

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

2.1 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路，安全性要优于其他两种方式

原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包发送给负载均衡器，负载均衡器在接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端

优点：集群中的服务器可以使用任何支持TCP/IP的操作系统，只要负载均衡器有一个合法的IP地址

缺点：扩展性有限，当服务器节点增长过多时，由于所有的请求和应答都需要经过负载均衡器，因此负载均衡器将成为整个系统的瓶颈

2.2、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

原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求报文封装一层IP隧道（T-IP）转发到真实服务器（RS）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器

优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，也能处理很巨大的请求量

缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持“IP Tunneling”

2.3、 DR 模式——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

原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标MAC地址改成后端真实服务器的MAC地址（R-MAC）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器

缺点：需要负载均衡器与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上，必须在同一个局域网环境

3、关于LVS虚拟服务器

Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目，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，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。

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

4、LVS 的负载调度算法

4.1 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，而不是服务器实际的连接数和系统负载

4.2 加权轮询（Weighted Round Robin）

根据调度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

4.3 最少连接（Least Connections）

根据真实服务器已建立的连接进行分配，将收到的访问请求优先分配给连接数最少的节点

4.4 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

性能较高的节点承担更大比例的活动连接负载

5、使用 ipvsadm 管理工具

ipvsadm是在负载调度器上使用的LVS群集管理工具，通过调用ip_vs模块来添加、删除服务器节点，以及查看群集的运行状态。在CentOS7系统中，需要手动安装ipvsadm.x86_64 0:1.27-7.el7 软件包。

LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、删除服务器节点和保存负载分配策略。

ipvsadm 工具选项说明：

选项	解释
-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

常用术语解释：

CIP：Client IP，表示的是客户端 IP 地址。
VIP：Virtual IP，表示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。
RIP：RealServer IP，表示负载均衡后端的真实服务器 IP 地址。
DIP：Director IP，表示负载均衡与后端服务器通信的 IP 地址。
CMAC：客户端的 MAC 地址，准确的应该是 LVS 连接的路由器的 MAC 地址。
VMAC：负载均衡 LVS 的 VIP 对应的 MAC 地址。
DMAC：负载均衡 LVS 的 DIP 对应的 MAC 地址。
RMAC：后端真实服务器的 RIP 地址对应的 MAC 地址。

三、NAT模式 LVS负载均衡群集部署的操作步骤

实验环境准备：

负载调度器：内网关 ens33：192.168.160.60，外网关 ens36：12.0.0.1

Web节点服务器1：192.168.160.30

Web节点服务器2：192.168.160.40

NFS服务器：192.168.160.50

客户端：12.0.0.55

1.部署共享存储（NFS服务器：192.168.160.50）

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 rpcbind.service
systemctl enable nfs.service
 
mkdir /opt/xkq /opt/wey
chmod 777 /opt/xkq /opt/wy
echo 'this is xkq web!' > /opt/xkq/index.html
echo 'this is wy web!' > /opt/wy/index.html
 
vim /etc/exports
/opt/long 192.168.160.0/24(rw,sync)
/opt/mcl 192.168.160.0/24(rw,sync)
 
--发布共享---
exportfs -rv

2、配置节点服务器（192.168.160.30、1systemctlsystemctl disable fyum install httpd -y

systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service
 
yum install nfs-utils rpcbind -y
showmount -e 192.168.160.50
 
 
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service
systemctl enable rpcbind.service
systemctl enable nfs.service
 
--192.168.160.30---
mount.nfs 192.168.160.50:/opt/mcl /var/www/html
 
另一台节点服务器挂载如下：
--192.168.160.40---
mount.nfs 192.168.160.50:/opt/weq /var/www/html

3、配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.160.60，外网关 ens36：12.0.0.1）

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

3.1 配置SNAT转发规则

vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1                 #添加ip路由转发
 
或 echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl -p
 
iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.160.0/24 -o ens37 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

3.2 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
 
##加载全部模块
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

3.3 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

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）

ipvsadm -C                  #清除原有策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.160.30:80 -m [-w 1]         #添加真实ip
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.160.40:80 -m [-w 1]         #添加真实ip
ipvsadm                     #启用策略
 
ipvsadm -ln                 #查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm                        #保存策略