LVS负载均衡群集之原理叙述

前言

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，单台服务器力不从心，但是使用性能够高的小型机或大型机，价格却又十分昂贵，所以使用多台普通服务器构建服务群集成为了一个大的趋势

一，群集概述

1.群集的含义

• Cluster，集群，群集
• 由多台主机构成，但对外只表现一个为整体，只提供一个访问入口（域名与IP地址），相当于一个大型计算机

2.群集的分类

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
• 高可用群集 (HA) 作用: 冗余，备份，防止解决单点故障
• 高性能运算群集 (分布式) 作用: 合理均分资源

2.1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的负载分配依赖于主节点的分流算法，将来自客户机的访问求情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，反向解析
• 按照权重来分配，weight权重影响的对象是请求

负载均衡根据服务器的性能权重来分配转发请求，把更多的请求分配给性能更高的，更少的分配给性能低的

2.2高可用群集 (High Availability Cluster)

• 高可用是为了解决单点故障

• 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

• 主从模式使用高可用时，主节点压力不能超过80%，否则会造成“雪崩”

实际提供业务、进行处理的服务器只有一台，另一台随时等着主服务器挂掉；优先级决定主备，他们之间通过心跳检测的vip来接受请求

2.3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

3.负载均衡的结构

3.1 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

3.2 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

3.3 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(网络存储)设备,或者提供NFS共享服务的专用服务器

4.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

• 关于群集的负载调度技术，可以基于 IP、端口、内容等进行分发，其中基于 IP 的负载调度是效率最高的

• 群集的负载调度技术有3种工作模式

1.地址转换（NAT模式）

2.IP隧道（TUN模式）

3.直接路由（DR模式）

4.1 地址转换（NAT模式）

• 简称 NAT 模式，类似于防火墙的私有网络结构

• 负载调度器作为服务器节点的网关，既作为客户机的访问入口，也作为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

4.2 IP 隧道（TUN模式）

• 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

• 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 直接路由（DR模式）

• 简称 DR 模式，采用半开放的网络结构，与 TUN 模式的结构类似，但是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

注：上述三种工作模式中，NAT 方式只需要一个公网 IP地址，从而成为最易使用的一种负载均衡模式，安全性也比较好，许多硬件负载均衡设备就是采用的这种方式；
相比较而言，DR 模式和 TUN 模式的负载能力更加强大，适用范围更广，但是节点的安全性要稍差一些

上述内容总结

• LVS不太适合小型的集群
• 工作模式区别

工作模式	NAT模式	TUN模式	DR模式（与NAT相比较为复杂）
server number 节点数量	low10-20	hingh 100	high 100
真实网关（real servers）	负载调度器	自由路由器	自由路由器
IP地址	公网+私网	公网	私网
优点	安全性高	安全、速度快	性能最好
缺点	效率低、压力大	需要隧道支持	不能跨越lan（局域网）

二、LVS虚拟服务器

1.LVS 概述

• Linux Virtual Server（LVS）是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目，由我国的章文嵩博士在1998年5月创建

• 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

• 手动加载 ip_vs 模块，并查看模块的版本信息

[[email protected] ~]# modprobe ip_vs #加载模块
[[email protected] ~]# cat /proc/net/ip_vs #查看版本信息
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn

2.LVS 的负载调度算法

针对不同的网络服务和配置需要，LVS 调度器提供多种不同的负载调度算法，其中最常用的四种算法包括轮询、加权轮询、最少连接和加权最少连接

• 轮询（rr）：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（wrr）：根据真实服务器的处理能力轮流分配收到的访问请求，调度器可以自动查询各节点的负载情况，并动态调整其权重，这样可以保证处理能力强的服务器承担更多的访问流量
• 最少连接（lc）：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，如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好的均衡负载
• 加权最少连接（wlc）：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，权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

3.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

• 需手动安装 ipvsadm 软件包

[[email protected] ~]# yum install -y ipvsadm
......
已安装:
  ipvsadm.x86_64 0:1.27-8.el7 

[[email protected] ~]# ipvsadm -v
ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)

3.1 ipvsadm 常用选项

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

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

3.2 示例

• 创建虚拟服务器

群集的VIP地址为172.16.16.172 ，针对 TCP80端口提供负载分流服务，使用调度算法为轮询，操作如下

ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s rr
#-s 用来指定算法，rr表示轮询
#对于负载均衡调度器来说，VIP必须是本机实际已启用的IP地址

• 添加服务器节点

为虚拟服务器172.16.16.172添加四个服务器节点，IP地址依次为192.168.8.135~192.168.8.138，操作如下

ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.8.135 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.8.136 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.8.137 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.8.138 -m -w 1

• 查看群集节点状态

结合选项-l可以查看 lvs 虚拟服务器，可以指定只查看某一个 VIP 地址（默认是查看所有），结合-n将以数字的形式显示地址、端口等信息

ipvsadm -ln

• 删除服务器节点

ipvsadm -d -r 192.168.8.135:80 -t 172.16.16.123:80

#若想删除整个虚拟服务器时，使用选项 -D 并指定虚拟 IP地址即可，无需指定节点
ipvsadm -D -t 172.16.16.123:80

• 保持负载分配策略

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm             #保持策略
cat /etc/sysconfig/ipvsadm						  #查看保存结果
service ipvsadm stop							  #清除策略
service ipvsadm start						      #重新创规则

t 172.16.16.123:80

- 保持负载分配策略

```bash
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm             #保持策略
cat /etc/sysconfig/ipvsadm						  #查看保存结果
service ipvsadm stop							  #清除策略
service ipvsadm start						      #重新创规则