LVS负载均衡群集——NAT模式

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一、集群与分布式

1.1 集群的含义

Cluster，集群、群集,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
由多台主机构成，但对外只表现为一个整体

1.2lvs模型

1.3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

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？

1.4群集的三种类型

负载均衡群集

高可用群集

高性能运算群集。

负载均衡群集
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

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

高可用群集
HA： High Availiablity，高可用，避免 SPOF（single Point Of failure）

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

高性能运算群集
HPC： High-performance computing，高性能

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

1.5LVS的负载调度算法

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)
均等地对待每台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载。

②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。

③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的均衡负载

④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。

⑤IP_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

⑥url_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

⑦fair
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

1.6分布式系统

分布式存储： 将数据分散存储在多台独立的设备上 。Ceph，GlusterFS，FastDFS，MogileFS
分布式计算： 将该应用分解成许多小的部分，分配给多台计算机进行处理。 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

1.7集群和分布式

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。

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。

PS: 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

1.8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)

1.9集群设计实现

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

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

1.10负载均衡群集架构

第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）
第二层，服务器池（Server Pool）
第三层，共享存储（Share Storage）

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
整个SLB系统由3部分构成:四层负载均衡，七层负载均衡和控制系统

四层负载均衡 ，采用开源软件LVS (linux virtual server)，并根据云计算需求对其进行了定制化;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用2年;

七层负载均衡，采用开源软件Tengine;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用3年多;·控制系统，用于配置和监控负载均衡系统;

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，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”

2.3LVS 功能及组织架构

负载均衡的应用场景为高访问量的业务，提高应用程序的可用性和可靠性。
应用于高访问量的业务
如果您的应用访问量很高，可以通过配置监听规则将流量分发到不同的云服务器 ECS（ElasticCompute Service 弹性计算服务）实例上。此外，可以使用会话保持功能将同一客户端的请求转发到同
一台后端ECS

扩展应用程序
可以根据业务发展的需要，随时添加和移除ECS实例来扩展应用系统的服务能力，适用于各种Web服务器和App服务器。

消除单点故障
可以在负载均衡实例下添加多台ECS实例。当其中一部分ECS实例发生故障后，负载均衡会自动屏蔽故障的ECS实例，将请求分发给正常运行的ECS实例，保证应用系统仍能正常工作

同城容灾 （多可用区容灾）
为了提供更加稳定可靠的负载均衡服务，阿里云负载均衡已在各地域部署了多可用区以实现同地域容灾。当主可用区出现机房故障或不可用时，负载均衡仍然有能力在非常短的时间内（如：大约30s中断）切换到另外一个备可用区恢复服务能力；当主可用区恢复时，负载均衡同样会自动切换到主可用区提供服务。

使用负载均衡时，您可以将负载均衡实例部署在支持多可用区的地域以实现同城容灾。此外，建议您结合自身的应用需要，综合考虑后端服务器的部署。如果您的每个可用区均至少添加了一台ECS实例，那么此种部署模式下的负载均衡服务的效率是最高的。

2.4 LVS集群类型中的术语

VS：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）

三、LVS工作模式和相关命令

3.1 LVS集群的工作模式

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
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-nat

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OS系统

IP隧道

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。
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。
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
请求报文要经由Director，但响应不经由Director,响应由RealServer自己完成
不支持端口映射
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。

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

LVS工作模式总结和比较

NAT TUN DR
优点 端口转换 WAN 性能最好
缺点 性能瓶颈 服务器支持隧道模式 不支持跨网段
真实服务器要求 any Tunneling Non-arp device
支持网络 private（私网） LAN/WAN（私网/公网） LAN（私网）
真实服务器数量 low (10~20) High (100) High (100)
真实服务器网关 lvs内网地址 Own router（网工定义） Own router（网工定义）

四、ipvsadm 工具

4.1 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"-"选项组合使用。ipvsadm -ln

五、NAT模式 LVS负载均衡部署

配置环境

负载调度器：配置双网卡 内网：192.168.49.2(ens33) 外网卡：192.168.27.100(ens38)
二台WEB服务器集群池：192.168.49.12、192.168.49.13
一台NFS共享服务器：192.168.49.11
客户端：192.168.27.2

5.1部署共享存储（NFS服务器：192.168.49.11）

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

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
 
2. #安装nfs服务
yum install nfs-utils rpcbind -y
 
3. #新建目录，并创建站点文件
cd /opt/
mkdir kgc accp
echo "this is kgc" >yxp/index.html
echo "this is accp" >dhc/index.html
 
4. #开启服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
 
5. #授权
chmod 777 kgc accp
 
6. #设置共享策略
vim /etc/exports
/opt/yxp 192.168.49.0/24(rw,sync)
/opt/dhc 192.168.49.0/24(rw,sync)
 
 
7. #发布服务
systemctl restart nfs
exportfs -rv

5.2节点Web服务器

第一台（192.168.49.12）

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
 
2. #安装httpd
yum install -y httpd
 
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.49.11
 
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
df
cat /var/www/html/index.html
mount 192.168.49.11:/opt/kgc /var/www/html/
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.49.11:/opt/kgc/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 
mount -a
 
 
5. #开启httpd服务
systemctl start httpd
 
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 
GATEWAY=192.168.49.2
#DNS1=8.8.8.8
 
7. #重启网络服务
systemctl restart network

第二台（192.168.49.13）

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
 
2. #安装httpd
yum install -y httpd
 
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.49.11
 
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
mount 192.168.49.11:/opt/dhc /var/www/html/
df
cat /var/www/html/index.html
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.59.108:/opt/dhc/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 
mount -a
 
5. #开启httpd服务
systemctl start httpd
 
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 
GATEWAY=192.168.59.118
#DNS1=8.8.8.8
 
7. #重启网络服务
systemctl restart network

5.3 负载调度器

内网：192.168.49.2(ens33) 外网卡：192.168.27.100(ens37)

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
 
2. #安装ipvsadm
yum install -y ipvsadm*

3. #添加一块网卡，我这里是ens38，配置网卡，重启网络
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens37
vim ifcfg-ens37
去掉网关、UUID、修改IP
vim ifcfg-ens33
去掉网关
systemctl restart network
 
4. #打开路由转发功能
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1 
sysctl -p
 
5. #防火墙做策略
#查看策略
iptables -nL -t nat
#清空策略
iptables -F
#添加策略
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.49.0/24 -o ens37 -j SNAT --to 192.168.27.100
#查看策略
iptables -nL -t nat
 
6. #加载LVS内核模块
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
 
7. #开启ipvsadm服务
ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
 
8. #清空策略
ipvsadm -C
 
9. #制定策略
#指定IP地址 外网的入口  -s rr  轮询
ipvsadm -A -t 192.168.27.100:80 -s rr
#先指定虚拟服务器再添加真实服务器地址，-r:真实服务器地址 -m指定nat模式
ipvsadm -a -t 192.168.27.100:80 -r 192.168.49.12:80 -m
ipvsadm -a -t 192.168.27.100:80 -r 192.168.49.13:80 -m
#开启服务
ipvsadm
 
10. 查看策略
ipvsadm -ln

访问192.168.27.100

过一段时间在刷新F5

总结

群集的负载调度技术有三种工作模式

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