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LVS集群（Linux Virtual server）相关介绍及LVS的NAT模式部署

news 来源：原创 2024/5/16 1:03:18

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，只提供访问入口(域名或IP地址)，相当于一台大型计算机

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。

一、 集群和分布式

系统性能扩展方式：

  • Scale UP：垂直扩展，向上扩展,增强，性能更强的计算机运行同样的服务，升级单机的硬件设备

  • Scale Out：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，Cluster

垂直扩展不再提及：

随着计算机性能的增长，其价格会成倍增长

单台计算机的性能是有上限的，不可能无限制地垂直扩展，多核CPU意味着即使是单台计算机也可以并行的。那么，为什么不一开始就并行化技术？

1.1 集群 Cluster

Cluster：集群,为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统，就需要用到反向代理

Cluster分为三种类型：

  • LB： Load Balancing，负载均衡，多个主机组成，每个主机只承担一部分访问请求

  • HA： High Availiablity，高可用（就是有备胎技术），避免 SPOF（single Point Of failure）

  • HPC： High-performance computing，高性能

HA：高可用（就是有备胎技术），避免 SPOF（single Point Of failure），即避免单点故障

MTBF:Mean Time Between Failure 平均无故障时间，正常时间
MTTR:Mean Time To Restoration（ repair）平均恢复前时间，故障时间
A = MTBF /（MTBF+MTTR） (0,1)：99%,99.5%,99.9%,99.99%,99.999%SLA：服务等级协议（简称：SLA，全称：service level agreement）。是在一定开销下为保障服
务的性能和可用性，服务提供商与用户间定义的一种双方认可的协定。通常这个开销是驱动提供服
务质量的主要因素。在常规的领域中，总是设定所谓的三个9，四个9来进行表示，当没有达到这
种水平的时候，就会有一些列的惩罚措施，而运维，最主要的目标就是达成这种服务水平。1年 = 365天 = 8760小时
90 = (1-90%)*365=36.5天
99 = 8760 * 1% = 87.6小时
99.9 = 8760 * 0.1% = 8760 * 0.001 = 8.76小时
99.99 = 8760 * 0.0001 = 0.876小时 = 0.876 * 60 = 52.6分钟
99.999 = 8760 * 0.00001 = 0.0876小时 = 0.0876 * 60 = 5.26分钟
99.9999= (1-99.9999%)*365*24*60*60=31秒#停机时间又分为两种，一种是计划内停机时间，一种是计划外停机时间，而运维则主要关注计划外停机时间。#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，均 等地对待每台服务器，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并且分配的请求越多，这样可以保证性能高的节点承担更 多请求。 #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。如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好地均衡负载。 #加权最少连接（Weighted Least Connections）：在服务器节点的性能差异较大的 情况下，调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重，权重较高的节点将承担更 大比例的活动连接负载。 #IP_Hash根据请求来源的IP地址进行Hash计算，得到后端服务器，这样来自同一个IP的请求总是会落到同一台服务器上处理，以致于可以将请求上下文信息存储在这个服务器上，#url_hash 按访问url的hash结果来分配请求，使每个url定向到同一个后端服务器，后端服务器为缓存时比较有效。具体没研究过#fair采用的不是内建负载均衡使用的轮换的均衡算法，而是可以根据页面大小、加载时间长短智能的进行负载均衡。也就是根据后端服务器时间来分配用户请求，响应时间短的优先分配

1.2 分布式系统

分布式存储：Ceph，GlusterFS，FastDFS，MogileFS

分布式计算：hadoop，Spark

分布式常见应用

  • 分布式应用-服务按照功能拆分，使用微服务（单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值服务）

  • 分布式静态资源--静态资源放在不同的存储集群上

  • 分布式数据和存储--使用key-value缓存系统

  • 分布式计算--对特殊业务使用分布式计算，比如Hadoop集群

1.3 集群和分布式

集群：同一个业务系统，部署在多台服务器上。集群中，每一台服务器实现的功能没有差别，数据和代码都是一样的。

分布式：一个业务被拆成多个子业务，或者本身就是不同的业务，部署在多台服务器上。分布式中，每一台服务器实现的功能是有差别的，数据和代码也是不一样的，分布式每台服务器功能加起来，才是完整的业务。

分布式是以缩短单个任务的执行时间来提升效率的，而集群则是通过提高单位时间内执行的任务数来提升效率。对于大型网站，访问用户很多，实现一个群集，在前面部署一个负载均衡服务器，后面几台服务器完成
同一业务。如果有用户进行相应业务访问时，负载均衡器根据后端哪台服务器的负载情况，决定由给哪
一台去完成响应，并且一台服务器垮了，其它的服务器可以顶上来。分布式的每一个节点，都完成不同
的业务，如果一个节点垮了，那这个业务可能就会失败

1.4 集群设计原则

可扩展性—集群的横向扩展能力

可用性—无故障时间 (SLA service level agreement)

性能—访问响应时间

容量—单位时间内的最大并发吞吐量(C10K 并发问题)

1.5 集群设计实现

1.5.1 基础设施层面

  • 提升硬件资源性能—从入口防火墙到后端 web server 均使用更高性能的硬件资源

  • 多域名—DNS 轮询A记录解析

  • 多入口—将A记录解析到多个公网IP入口

  • 多机房—同城+异地容灾

  • CDN(Content Delivery Network)—基于GSLB(Global Server Load Balance)实现全局负载均衡，如：DNS

1.5.2 业务层面

  • 分层：安全层、负载层、静态层、动态层、(缓存层、存储层)持久化与非持久化

  • 分割：基于功能分割大业务为小服务

  • 分布式：对于特殊场景的业务，使用分布式计算

1.6 LB Cluster 负载均衡集群

1.6.1 按实现方式划分

硬件    F5 Big-IP（F5服务器负载均衡模块）

软件

lvs：Linux Virtual Server，阿里四层 SLB (Server Load Balance)使用

nginx：支持七层调度，阿里七层SLB使用 Tengine

haproxy：支持七层调度

ats：Apache Traffic Server，yahoo捐助给apache

perlbal：Perl 编写

pound

1.6.2 基于工作的协议层次划分

  • 传输层（通用）：DNAT 和 DPORT

LVS：linux内核功能

nginx：stream

haproxy：mode tcp

  • 应用层（专用）：针对特定协议，常称为 proxy server

http：nginx, httpd, haproxy(mode http), ...

fastcgi：nginx, httpd, ...

mysql：mysql-proxy, mycat（读写分离）

SNAT:让 内网用户 可以访问外网
DNAT:把内网的服务 共享到公网上(外网用户可以访问 公司内网的服务)

1.6.3 负载均衡的会话保持

  1. session sticky：同一用户调度固定服务器

Source IP：LVS sh算法（对某一特定服务而言）

Cookie

  1. session replication：每台服务器拥有全部session（复制）

session multicast cluster

  1. session server：专门的session服务器（server）

Memcached，Redis

1.7 HA 高可用集群实现

keepalived：vrrp协议

Ais：应用接口规范

heartbeat

cman+rgmanager(RHCS)

coresync_pacemaker

二、 Linux Virtual Server简介

2.1 LVS介绍

LVS：Linux Virtual Server，负载调度器，内核集成，章文嵩（花名正明）,  阿里的四层SLB(Server Load Balance)是基于LVS+keepalived实现

LVS 官网：http://www.linuxvirtualserver.org/
阿里SLB和LVS：
https://yq.aliyun.com/articles/1803
https://github.com/alibaba/LVS

2.2 LVS工作原理

VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS（真实服务器），根据调度算法来挑选RS。LVS是内核级功能，工作在INPUT链的位置，将发往INPUT的流量进行“处理”

LVS：linux内核级功能

[root@zzzcentos1 ~]#grep -i -C 10 ipvs /boot/config-3.10.0-693.el7.x86_64

2.3LVS集群类型中的术语

  • VS（代理服务器）：Virtual Server，Director Server(DS), Dispatcher(调度器)，Load Balancer（lvs服务器）

  • RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)（真实服务器）

  • CIP：Client IP（客户机IP）

  • VIP：Virtual serve IP VS外网的IP

  • DIP：Director IP VS内网的IP

  • RIP：Real server IP （真实IP）

  • VS：代理服务器

    RS：真实服务器

    VIP:代理服务器的外网ip
    DIP:代理服务器的内网ip
    RIP:真实服务器的ip地址

访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP

三、 LVS工作模式和相关命令

3.1 LVS集群的工作模式

  • 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（直接路由）

  • lvs-tun：隧道模式

lvs-dr 是 LVS集群的默认工作模式

3.1.1 LVS的NAT模式

报文过程：

帮助理解报文过程

lvs-nat：本质是多目标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处的RS的RIP和PORT实现转发

（1）RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP 

（2）请求报文和响应报文都必须经由lvs服务器转发，lvs服务器易于成为系统瓶颈

（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT

（4）VS（代理服务器）必须是Linux系统，RS（真实服务器）可以是任意OS系统

3.1.2 IP隧道

  1. RIP和DIP可以不处于同一物理网络中，RS的网关一般不能指向DIP,且RIP可以和公网通信。也就是说集群节点可以跨互联网实现。DIP, VIP, RIP可以是公网地址。

  2. RealServer的通道接口上需要配置VIP地址，以便接收DIP转发过来的数据包，以及作为响应的报文源IP。

  3. DIP转发给RealServer时需要借助隧道，隧道外层的IP头部的源IP是DIP，目标IP是RIP，而

    RealServer响应给客户端的IP头部是根据隧道内层的IP头分析得到的，源IP是VIP，目标IP是CIP

  4. 请求报文要经由Director，但响应不经由Director,响应由RealServer自己完成

  5. 不支持端口映射

  6. RS的OS须支持隧道功能

一般来说，隧道模式常会用来负载调度缓存服务器组，这些缓存服务器一般放置在不同的网络环境，可以就近折返给客户端。在请求对象不在Cache服务器本地命中的情况下，Cache服务器要向源服务器发送请求，将结果取回，最后将结果返回给用户。

3.1.3直接路由

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

直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过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是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变。

DR两种解决方法：

绑定ARP绑定Ivs 代理服务器
关闭ARP 广播 真实服务器

DR模式的特点：

  1. Director和各RS都配置有VIP

  2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director

  • 在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址

  • 在RS上使用arptables工具

arptables -A IN -d $VIP -j DROP
arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP

在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别

/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore   忽略apr广播
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce  关闭无敌arp

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

  1. RS和Director要在同一个物理网络

  2. 请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client

  3. 不支持端口映射（端口不能修改）

  4. 无需开启 ip_forward

  5. RS可使用大多数OS系统

3.1.5 LVS工作模式总结和比较

3.2 LVS 调试算法

[root@zzzcentos1 ~]#grep -i -C 10 ipvs /boot/config-3.10.0-693.el7.x86_64

ipvs scheduler：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态，分为两种：静态方法和动态方法

静态方法: 不管后端真实服务器的状态，根据自身算法进行调度
动态方法: 会根据后端服务器的状态来进行调度

静态方法：

1、RR：roundrobin，轮询,较常用

2、WRR：Weighted RR，加权轮询,较常用  先算总权重 再用自己的 权重去除以 总权重

3、SH：Source Hashing，实现session sticky，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

4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续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,如: Web缓存

动态方法：

动态:一个参考值，来确定服务器是否忙 这个值越小 代表服务器 闲

          就会优先调度给闲的服务器

主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value 较小的RS将被调度

1、LC：least connections 适用于长连接应用

Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2、WLC：Weighted LC，默认调度方法,较常用

Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3、SED：Shortest Expection Delay，初始连接高权重优先,只检查活动连接,而不考虑非活动连接

Overhead=(activeconns+1)*256/weight

activeconns 活跃

inactiveconns 不活跃

4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED

5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理,实现Web Cache等   检查后端服务器忙不忙

6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS,,实现Web Cache等

缺点：

LC最小连接数 不考虑权重

WLC默认调度加权最小连接数，第一轮不合理 都是 一样的 优先级

SED 权重小的空闲

为什么没有url hash？

LVS（Linux Virtual Server）的调度算法通常不包括URL哈希。

这是因为LVS主要是一个四层（Layer 4）负载均衡解决方案，它基于传输层信息（如IP地址和端口号）来进行负载均衡，而不涉及应用层（Layer 7）的内容，比如URL。因此，LVS的调度算法通常侧重于传输层的信息，而不是应用层的具体内容。

四、 ipvsadm 工具

 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: 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
一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#管理集群服务
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 service-address #删除
ipvsadm –C #清空
ipvsadm –R #重载,相当于ipvsadm-restore
ipvsadm -S [-n] #保存,相当于ipvsadm-save
#管理集群中的RS
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]  
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]选项：
lvs类型：-g: gateway, dr类型，默认-i: ipip, tun类型-m: masquerade, nat类型        
-w weight：权重例子：
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.11:80 -myum install ipvsadmUnit File: ipvsadm.service
主程序：/usr/sbin/ipvsadm
规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save
规则重载工具：/usr/sbin/ipvsadm-restore
配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config
ipvs调度规则文件：/etc/sysconfig/ipvsadm

ipvsadm    是lvs内核使用工具

keepalive协助ipvsadm工具生成高可用

五、NAT模式 LVS负载均衡部署

NFS 是一种基于 TCP/IP 传输的网络文件系统协议，最初由 Sun 公司开发。通过使用 NFS

协议，客户机可以像访问本地目录一样访问远程服务器中的共享资源。对于大多数负载均衡

群集来说，使用 NFS 协议来共享数据存储是比较常见的做法，NFS 也是 NAS 存储设备必然支

持的一种协议。

NFS 服务的实现依赖于 RPC（Remote Process Call，远端过程调用）机制，以完成远程

到本地的映射过程。在 CentOS 7 系统中，需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供 NFS

共享服务，前者用于 NFS 共享发布和访问，后者用于 RPC 支持

实验拓朴图：

lvs负载调度器：配置双网卡 内网：192.168.246.7 (ens33)  外网卡：12.0.0.1 (ens36)
二台WEB服务器集群池：192.168.246.8、192.168.246.9  
一台NFS共享服务器：192.168.246.10
客户端：访问curl 12.0.0.1

①四台服务器都关闭防火墙、防护

②7-4共享服务器NFS配置

[root@localhost ~]# yum install nfs-utils.x86_64 rpcbind -y
#安装nfs服务[root@localhost ~]# systemctl start rpcbind
[root@localhost ~]# systemctl start nfs
#开启服务

③7-2web服务器配置

④7-3web服务器配置

先检测下：

⑤7-1 调度服务器 配置

我们使用本地yum源安装软件ipvsadm

网关地址别忘记啊      修改7-2、7-3真实服务器网关地址

RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP 

去检测：

lvs 的nat模式 是通过修改源ip和目的ip来实现负载均衡

六、安装软件ipvsadm的两种方法

方法一：使用yum安装

[root@zzzcentos1 ~]#yum install ipvsadm.x86_64 -y

ipvsadm相关配置文件：

主程序：/usr/sbin/ipvsadm
规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save
规则重载工具：/usr/sbin/ipvsadm-restore
配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config
ipvs调度规则文件：/etc/sysconfig/ipvsadm

方法二：可以使用本地yum源安装软件ipvsadm

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