Linux_31 Linux Cluster && 各种调度算法实现不同的调度
Linux Cluster
Cluster:计算机集合，为解决某个特定问题组合起来 形成的单个系统；
Linux Cluster 类型：
LB:Load Balancing,负载均衡；
HA：High Availiablity,高可用；
A=MTBF/(MTBF+MTTR)
(0,1):90%,95%,99%,99.9%,99.99%,99.999%,99.9999%
HP:High Performance,高性能；
www.top500.org
分布式系统：
分布式存储
分布式计算
系统扩展方式：
Scale up:向上扩展
Scale Out:向外扩展
Cluster
LB Cluster:
LB Cluster的实现：
硬件：
F5 Big-IP
Citrix Netscaler
A10 A10
软件：
lvs:Linux Virtual Server
nginx
haproxy
ats:apache traffic server
perlbal
pound
基于工作的协议层次划分：
传输层（通用）：（DPORT）
lvs:
nginx:(stream)
haproxy:(mode tcp
应用层（专用）：（自定义的请求模型分类）
proxy server:
http:nginx httpd haproxy(mode http)
fastcgi:nginx,httpd,...
mysql:ProxySQL,...
...
站点指标：
PV:Page View
UV:Unique Vistor
IP:
会话保持：
(1)session sticky
Source IP
Cookie
(2)session replication;
session cluster
(3)session server
lvs:Linux Virtual Server
VS：Virtual Server
RS:Real Server
l4:四层路由器，四层交换机；
VS：根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转达至某RealServer,根据调度算法来挑选RS；
iptables/netfilter:
iptables:用户空间的管理工具；
netfilter:内核空间上的框架；
流入：PREROUTING-->INPUT
流出：OUTPUT-->POSTROUTING
转发：PREROUTING-->FORWARD-->POSTROUTING
DNAT:目标地址转换；PREROUTING；
lvs:ipvsadm/ipvs
ipvsadm:用户空间的命令行工具，规则管理器，用于管理集群服务及RealServer;
ipvs:工作于内核空间的netfilter的INPUT钩子之上的框架；
lvs集群类型中的术语：
vs:Virtual Server,Director,Dispatcher,Balancer
rs:Real Server,upstream server,backend server
CIP:Client IP,VIP:Virtual serve IP,RIP:Real server IP,DIP:Director IP
CIP<-->VIP == DIP<-->RIP
lvs 集群的类型：
lvs-nat:修改请求报文的目标IP；多目标IP的DNAT；
lvs-dr:操纵封装新的MAC地址；
lvs-tun:在原请求IP报文之外新加一个IP首部；
lvs-fullnat:修改请求报文的源和目标IP；
lvs-nat:
多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某挑出的RS的RIP和PORT实现转发；
（1）RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP；
（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发；Director易于成为系统瓶颈；
（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT；
（4）vs必须是Linux系统rs可以是任意系统；
lvs-dr:
Direct Routing,直接路由；
通过对请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选处的RS的RIP所在的接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变；
Director和各RS都得配置使用VIP；
（1）确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director;
(a)在前端网关做静态绑定；
(b)在RS上使用arptables;
(c)在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别；
arp_announce
arp_ignore
(2)RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director;
(3)RS跟Director要在同一个物理网络；
(4)请求报文要经由Director，但响应不能经由Director，而是由RS直接发往Client；
(5)不支持端口映射；
lvs-tun:
转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而是在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；
RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）；
（1）DIP，VIP，RIP都应该是公网地址；
（2）RS的网关不能，也不可能指向DIP；
（3）请求报文要经由Director,但相应不能经由Director;
（4）不支持端口映射；
（5）RS的OS得支持隧道功能；
lvs-fullnat:
通过同时修改请求报文的源地址和目标IP地址进行转发；
CIP-->DIP
VIP-->RIP
（1）VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不再同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP；
（2）RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需要响应给DIP；但Director还要将其发往Client;
（3）请求和响应报文都经由Director;
（4）支持端口映射；
注意：此类型默认不支持；
总结：
lvs-nat,lvs-fullnat:请求和响应报文都经由Director;
lvs-nat:RIP的网关要指向DIP；
lvs-fullnat:RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信；
lvs-dr,lvs-tun:请求报文要经由Director,但响应报文由RS直接发往Client;
lvs-dr:通过封装新的MAc首部实现，通过MAC网络转发；
lvs-tun:通过在原IP报文之外封装新的IP首部实现转发，支持远距离通信；
ipvs scheduler:
根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态，可分为静态方法和动态方法两种：
静态方法：仅根据算法本身进行调度；
RR:roundrobin,轮询；
WRR:Weighted RR,加权轮询；
SH：Source Hashing,实现session stichy,源IP地址hash;将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定；
DH：Destination Hashing;目标地址哈希，将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡；
动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度；
Overhead=
LC:least connections
Overhead=activeconns*256+inactiveconns
WLC:Weighted LC
Overhead=(acticeconns*256+inactiveconns)/weight
SED:Shortest Expection Delay
Overhead=(activeconns+1)*256/weight
NQ:Nerver Queue
LBLC:Locality-Based LC,动态的DH算法；
LBLCR：LBLC with Replication,带复制功能的LBLC；
ipvsadm/ipvs:
集群和集群之上的各RS是分开管理的；
集群定义
RS定义
准备拓扑环境
了解规则编写工具的使用
yum -y install ipvsadm
配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config
ipvsadm命令：
核心功能：
集群服务管理：增、删、改；
集群服务的RS管理：增、删、改；
查看：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler][-p[timeout]][-M netmask][--pe persistence_engine][-b sched-flags]
ipvsadm -D -t|u|f server-address
ipvsadm -C
ipvsadm -R
ipvsadm -S [-n]
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [options]
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|I [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
管理集群服务：增、删、改:
增、改：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler][-p [timeout]]
删：
ipvsadm —D -t|u|f service-address
service-address:
-t|u|f:
-t:TCP协议的端口，VIP：TCP_PORT
-u:UDP协议的端口，VIP：UDP_PORT
-f:firewall MARK,是一个数字；
[-s scheduler]:指定集群的调度算法，默认为wlc；
管理集群上的RS：增、改、删；
增、改：
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m][-w weight]
删：
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
server-address:
rip[:port]
选项：
lvs类型：
-g:gateway,dr类型
-i:ipip,tun类型
-m:masquerade,nat类型
-w weight：权重；
清空定义的所有内容：
ipvsadm -C
查看：
ipvsadm -L|I [options]
--numeric,n:numeric output of addresses and ports
--exact:expand numbers (display exact values)
--connection,-c:output of current IPVS connections
--stats:output of statistics information
--rate:output of rate information
ipvsadm -ln
ipvsadm -ln --stats # 如图1
Conns:主机上的连接数，其中conns(vs)=conns(ns1)+conns(ns2)
InPkts:入栈的报文数量
OutPkts:出栈的报文数量
InBytes:入栈的字节数量
OutBytes:出栈的字节数量
ipvsadm -ln --rate
CPS:每秒钟建立的连接数
InPPS:每秒钟入栈的报文数量
OutPPS:每秒钟出栈的报文数量
InBPS:每秒钟入栈的字节数量
OutBPS::每秒钟出栈的字节数量
ipvsadm -Z # 清空--stats --rate的记录值 如下图3
ipvsadm -ln -c # 查看客户端访问被发送到哪台real server上 如图4
保存和重载： # 如图5
# 保存
ipvsadm -S = ipvsadm-save
ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
ipvsadm -S > /PATH?TO?IPVSADM_FILE
systemctl stop | ipvsadm.service
# 重载
ipvsadm -R = ipvsadm-restore
ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
或者：
systemctl start ipvsadm.service 也可以重载规则，但是得先将规则保存到/etc/sysconfig/ipvsadm中 # 如图6
使用rm 删除ipvsadm文件保存得规则，然后 systemctl stop ipvsadm.service,规则会自动再次被写入/etc/sysconfig/ipvsadm中
rm /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl stop ipvsadm.service
图1：
图2：
图3：
图4：
图5：
图6：
负载均衡集群设计
负载均衡集群设计时要注意的问题：
（1）是否需要会话保持；
（2）是否需要共享存储；
共享存储：NAS，SAN，DS（分布式存储）
数据同步：
rsync+Inotify实现数据同步
lvs-nat 负载均衡集群设计
lvs-nat:
设计要点：
（1）RIP与DIP在同一IP网络，RIP的网关要指向DIP；
（2）支持端口映射；
（3）Director要打开核心转发功能；
作业：负载均衡两个php应用（wordpress,discuzx）;
测试：（1）是否需要会话保持；（2）是否需要共享存储；
lvs-nat:
ipvsadm -A -t 172.16.0.6:23 -s wlc
ipvsadm -a -t 172.16.0.6:23 -r 192.168.10.11 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.0.6:23 -r 192.168.10.12 -m -w 2
lvs-dr 负载均衡集群设计
dr模型中，各主机上均需要配置VIP，解决地址冲突的方式有三种：
（1）在前端网关做静态绑定；# 但调度器（director）容易成为系统瓶颈，将来做冗余，mac地址变化，原绑定会失效
（2）在各RS使用arptables;
（3）在各RS修改内核参数，来限制arp响应和通告的级别；
限制响应级别：arp_ignore
0:默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应；
1：仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文接口上时，才给予响应；
限制通告级别：arp_announce
0:默认值，把本机上的所有接口的所有信息向每个接口上的网络进行通告；
1：尽量避免向非直接连接网络进行通告；
2：必须避免向非本网络通告；
# RS的预配置脚本
#!/bin/bash
#
vip='172.16.0.99'
mask='255.255.255.255'
iface='lo:0'
case $1 in
start)
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
ifconfig $iface $vip netmask $mask broadcast $vip up
route add -host $vip dev $iface
;;
stop)
ifconfig $iface down
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
;;
*)
echo "Usage: $(basename $0) start | stop"
exit 1
;;
esac
# VS的与配置脚本：
#!/bin/bash
#
vip='10.1.0.5'
iface=eno16777736:0
mask='255.255.255.255'
port='80'
scheduler='wrr'
type='-g'
case $1 in
start)
ifconfig $iface $vip netmask $mask broadcast $vip up
iptables -F
ipvsadm -A -t $(vip):$(port) -s $scheduler
ipvsadm -a -t $(vip):$(port) -r $(rs1) $type -w l
ipvsadm -a -t $(vip):$(port) -r $(rs2) $type -w l
;;
stop)
ipvsadm -C
ifconfig $iface down
;;
*)
echo "Usage $(basename $0) start|stop"
exit 1
;;
防火墙标记
FWM:Firewall Mark
netfilter:
target:MATK,This target is used to set the Netfilter mark value associated with the packet.
--set-mark value
借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务；可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度；
打标记方法（在Director主机）：
# iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $proto --dport $port -j MARK --set-mark NUMBER
基于标记定义集群服务：
# ipvsadm -A -f NUMBER [options]
lvs persistence:持久连接：
持久连接模板：实现无论使用任何调度算法，在一段时间内，能够实现将来自同一个地址的请求始终发往同一个RS；
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler][-p [timeout]]
port Affinity:
每端口持久：每个端口对应定义为一个集群服务，每集群服务单独调度；
每防火墙标记持久：基于防火墙标记定义集群服务；可实现将多个端口上的应用统一调度，即所谓的port Affinity;
每客户端持久：基于0端口定义集群服务，即将客户端对所有应用的请求统统调度至后端主机，必须定义为持久模式；
考虑：
（1）Director不可用，整个系统将不可用；SPoF
解决方案：高可用
keepalived
heartbeat/corosync
（2）某RS不可用时，Director依然会调度请求至此RS；
解决方案：对各RS的健康状态做检查，失败时禁用，成功时启用；
keepalived
Idirectord
检测方式：
（a）网络层检测
（b）传输层检测，端口探测；
（c）应用层检测，请求某关键资源；
Idirectord:
Daemon to monitor remote service and control Linuxx Virtual Server. Idirectord is a daemon to monitor and administer real servers in a cluster of load balanced virtual servers. Idirectord typically is started from heartbeat but can also be run from the command line.
配置示例：
checktimeout=3
checkinterval=1
fallback=127.0.0.1:80
autoreload=yes
logfile="/var/log/Idirectord.log"
qulescent=no
virtual=5
real=172.16.0.7:80 gate 2
real=172.16.0.8:80 gate 1
fallback=127.0.0.1:80 gate
service=http
scheduler=wrr
checktype=negotiate
checkport=80
receive="CentOS"
共享存储
NAS：Network Attached Storage
nfs/cifs
文件系统接口
SAN：Storage Area Network
"块"接口
