LVS负载均衡群集

LVS负载均衡群集

一.集群cluster与分布式

1.特点：

由多台主机构成，都干同样的一件事，对外展现为一个整体

2.类型

1）负载均衡群集 LB

提高系统响应效率，处理更多的访问请求，减少延迟，实现高并发、高负载的能力
典型代表：软件类：LVS Nginx HAProxy 等 硬件类：F5 绿盟

2）高可用群集 HA

提高系统可靠性，减少中断时间，确保服务的连续性（通常使用 N 个 9 来代表高可用的指标）
典型代表：Keepalived heartbeat

3）高性能运输群集 HPC

通过云计算或分布式计算获取高性能的CPU、内存等资源，来提高整体运算能力

3.分布式

1）特点

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。

2）

二.LVS

1.lvs的工作原理

1）当用户向负载均衡器（Director Server）发起请求，调度器将请求发送至内核空间；

2）PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发送到INPUT链；

3）IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已经定义好的集群服务进行对比，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发送到POSTROUTING链；

4）POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送到后端的服务器；

2.lvs的三种工作模式

1）NAT 地址转换

调度器会作为所以节点服务器的默认网关，也是客户端的访问入口和节点服务器返回响应消息的出口，也就是说调度器会承载双向数据流量的负载压力，可能会成为整个群集的性能瓶颈。由于节点服务器都处于内网环境，使用私网IP地址，所以具有一定安全性。

2）TUN IP隧道 IP Tunnel

调度器仅作为客户端的访问入口，节点服务器的响应消息是直接返回给客户端的，不需要经过调度器。但是由于节点服务器需要部署在不同位置的公网环境中，需要具有独立的公网IP，调度器与节点服务器是通过专用的IP隧道实现相互通信的，因此IP隧道模式的成本较高、安全性较低，且IP隧道需要额外的封装和解封装，性能会受到一定的影响。

3）DR 直接路由 Direct Routing

调度器仅作为客户端的访问入口，节点服务器的响应消息是直接返回给客户端的，不需要经过调度器。（与NAT模式的区别）
节点服务器与调度器是部署在同一个物理网络内，因此不需要建立专用的IP隧道。（与TUN模式的区别）
DR模式是企业首选的LVS模式。

4）对比

工作模式	特点	区别	应用场景
NAT	通过网络地址转换实现的虚拟服务器，大并发访问时，调度器的性能成为瓶颈	调度器作为网关，是访问请求得到入口，也是响应访问的出口，在高并发场景当中负载压力很高，NAT地址转换可以提高安全性，但使用性能降低一半	因性能使用率问题，实际应用不多
DR	使用路由技术实现虚拟服务器，节点服务器需要配置VIP，注意MAC地址广播	调度器仅是访问请求的入口，响应数据不经过调度器。节点服务器和调度器在同一个物理网络中，数据转发不受额外影响	该模式是生产环境中最常用的
TUN	通过隧道方式实现虚拟路由器	调度器仅是访问请求的入口，响应数据不经过调度器。但是需要大量公网IP，还需要专用的IP隧道，数据转发受IP隧道影响	因公网IP问题，实际应用不多，常用于大型企业的异地灾备

3.lvs的调度算法

rr 轮询

将收到的请求按顺序轮流分配给群集中的各节点

wrr 加权轮询

根据调度器设置的权重值分发请求

权重值高的节点优先获得任务，并且得到的请求越多

可以保证性能高的节点承担更多

sh 源地址哈希

根据请求的源IP地址进行Hash计算，得到后端服务器

dh 目的地址哈希

根据请求的目的IP地址进行Hash计算，得到后端服务器

lc 最小连接

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

wlc 加权最小连接

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（当前连接数/权重值，之后的请求会分发给这个值最大的）

权重较高的节点将承担更 大比例的活动连接负载

lblc 基于地址的最小连接

先根据请求的目标IP地址，若该服务器是可用的且并未超载，将请求发送到该服务器

4. ipvsadm工具

yum install -y ipvsadm

ipvsadm工具的功能

LVS群集创建与管理：

1. 创建虚拟服务器
2. 添加、删除服务器节点
3. 查看群集及节点情况
4. 保存负载分配策略

ipvsadm工具选项

常用选项	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

三.LVS-NAT模式详解

1.LVS-NAT模式配置思路

1）配置 NFS 共享存储；
2）节点服务器安装 Web 服务，注意：默认网关要指向 调度器的IP地址，测试的时候关闭连接保持；
3）调度服务器要开启 IP路由转发 功能和设置 SNAT 等 iptables 规则，安装 ipvsadm 工具，配置虚拟服务器和真实节点服务器相关配置；
4）客户端测试的时候网关要指向 调度器的IP地址。

2.部署实例

调度器：内网关 ens33:192.168.82.10；外网关ens36:12.0.0.10
Web节点服务器1：192.168.82.100（网关设置为192.168.122.10）
Web节点服务器2：192.168.82.101（网关设置为192.168.122.10）
NFS服务器：192.168.82.88
客户端：12.0.0.88

1）配置 NFS 共享存储

systemctl disable firewalld.service --now
setenforce 0yum install -y nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbind nfsmkdir /opt/test1 /opt/test2
chmod 777 /opt/test1 /opt/test2
echo "This is test1 web" > /opt/test1/index.html
echo "This is test2 web" > /opt/test2/index.html

#nfs
vim /etc/exports/usr/share *(ro,sync)
/opt/test1 192.168.2.0/24(rw,sync)
/opt/test2 192.168.2.0/24(rw,sync)exportfs -rv
#发布共享
showmount -e

2） 配置节点服务器

#web-1
systemctl disable firewalld
setenforce 0yum install -y httpd
systemctl start httpd
yum install -y nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbindmount.nfs 192.168.122.88:/opt/test1 /var/www/html
[root@web_server1 ~]# vim /etc/fstab
#末行写入，设置自动挂载
192.168.122.88:/opt/test1                 /var/www/html           nfs     defaults,netdev 0 0

#web2 
mount.nfs 192.168.122.88:/opt/test2 /var/www/html
vim /etc/fstab
#末行写入，设置自动挂载
192.168.122.88:/opt/test2                 /var/www/html           nfs     defaults,netdev 0 0

3）配置负载调度器

systemctl disable firewalld
setenforce 0

配置SNAT转发规则

#开启路由转发
vim /etc/sysctl.conf
#末行写入
net.ipv4.ip_forward = 1
sysctl -piptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.122.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.10

加载LVS内核模块

for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs | grep -o "^[^.]*");do echo $1; /sbin/modinfo -F filename $1 > /dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $1;done 

安装ipvsadm管理工具

yum install -y ipvsadm
#启动服务前需保存负载分配策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm

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#添加策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.10:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.82.100:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 12.0.0.10:80 -r 192.168.82.101:80 -m -w 1ipvsadm #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

之后多次访问http://12.0.0.10/查看结果

四.LVS-DR模式详解

1.数据包流向分析

┌Client┐                  ┌---[3]---┐                          ┌────RS1────┐
│      │<-----------------| VIP|CIP |<--------------------┐   ┌┤lo:VIP     │
│      │                  └---------┘                     └---││eth0:RIP1  │
│      │                 ┌────LVS────┐   ┌-----[2]-----┐      │└───────────┘
│      │   ┌---[1]---┐   │           │   |   CIP|VIP   |  ┌-->│┌────RS2────┐
│   CIP│---| CIP|VIP |-->│VIP     DIP│---|DIPmac|RIPmac|--┘   └┤lo:VIP     │
│      │   └---------┘   │           │   └-------------┘       │eth0:RIP2  │
└──────┘                 └───────────┘                         └───────────┘

1）客户端发送请求到 Director Server（负载均衡器），请求的数据报文（源 IP 是 CIP,目标 IP 是 VIP）到达内核空间；

2）Director Server 和 Real Server 在同一个网络中，数据通过二层数据链路层来传输；

3）内核空间判断数据包的目标IP是本机VIP，此时IPVS（IP虚拟服务器）比对数据包请求的服务是否是集群服务，是集群服务就重新封装数据包。修改源 MAC 地址为 Director Server 的 MAC地址，修改目标 MAC 地址为 Real Server 的 MAC 地址，源 IP 地址与目标 IP 地址没有改变，然后将数据包发送给 Real Server；

4）到达 Real Server 的请求报文的 MAC 地址是自身的 MAC 地址，就接收此报文。数据包重新封装报文(源 IP 地址为 VIP，目标 IP 为 CIP)，将响应报文通过 lo 接口传送给物理网卡然后向外发出；

5）Real Server 直接将响应报文传送到客户端

2.IP包头及数据帧头信息的变化

1.Client向目标VIP发出请求，Director（负载均衡器）接收

2.Director根据负载均衡算法选择Real Sever_1，不修改也不封装IP报文，而是将数据帧的MAC地址改为Real Server_1的MAC地址，然后在局域网上发送

3.Real Server_1收到这个数据帧，解封装后发现目标IP与本机匹配（Real Server事先绑定了VIP），于是处理这个报文。随后重新封装报文，将响应报文通过lo接口传送给物理网卡然后向外发出

4.Client将收到回复报文。Client认为得到正常的服务，而不会知道是哪一台服务器处理的。
注意：如果跨网段，则报文通过路由器经由Internet返回给用户。

3.DR模式的特点

1）Director Server和Real Server必须在同一个物理网络中；

2）Real Server可以使用私有地址，也可以使用公网地址。如果使用公网地址，可以通过互联网对RIP进行直接访问；

3）Director Server作为群集的访问入口，但不作为网关使用；

4）所有的请求报文经由Real Server，但回复响应报文不能经过Director Server；

5）Real Server的网关不允许指向Director Server IP，即Real Server发送的数据包不允许经过Director Server；

6）Real Server上的lo接口配置VIP的IP地址。

4.LVS-DR中的ARP问题及解决方法

ARP问题1-相同IP

原因：在LVS-DR负载均衡集群中，负载均衡器与节点服务器都要配置相同的VIP地址。
在局域网中具有相同的IP地址，势必会造成各服务器ARP通信的紊乱。

解决思路及方法：当ARP广播发送到LVS-DR集群时，因为负载均衡器和节点服务器都是连接到相同的网络上，它们都会接收到ARP广播。
只有前端的负载均衡器进行响应，其他节点服务器不应该响应ARP广播。
对节点服务器进行处理，使其不响应针对VIP的ARP请求。使用虚接口lo:0承载VIP地址；
设置内核参数arp_ignore=1（系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求）。

ARP问题2-响应报文的源IP

原因：Real Server返回报文（源IP是VIP）经由路游记转发，重新封装报文时，需要先获取路由器的MAC地址。
发送ARP请求时，Linux默认使用IP包的源IP地址（即VIP）作为ARP请求包中的源IP地址，而不使用发送接口的IP接口，如ens33接口。
路由器根据ARP表项，会将新来的请求报文转发给Real Server，导致Director的VIP失效。

解决方法：对节点服务器进行处理，设置内核参数arp_announce=2（系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址，而选择发送接口的IP地址）

预防方法

修改/etc/sysctl.conf文件，末行添加如下内容：

net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
#arp_ignore = 1
#防止网关路由器发送ARP广播时，调度器和节点服务器都进行相应，导致ARP缓存表的紊乱，不对非本地物理网卡IP的ARP请求进行响应，因为VIP是承载在lo:0。
#arp_announce = 2
#系统不使用响应数据包的源IP地址（VIP）来作为本机进行ARP请求报文的源IP地址，而使用发送报文的物理网卡IP地址作为ARP请求报文的源IP地址，这样可以防止网关路由器接收到源IP地址为VIP的ARP请求报文后又更新ARP缓存表，导致外网再发送请求时，数据包到不了调度器。

5.LVS-DR模式部署实例

DR服务器：192.168.122.10
Web服务器1:192.168.122.100
Web服务器2:192.168.122.101
VIP服务器：192.168.122.188
nfs服务器：192.168.122.88

1）配置负载调度器

#关闭防火墙和selinux
systemctl stop firewalld
setenforce 0#安装ipvsadm
yum install -y ipvsadm

配置虚拟IP地址

cd /etc/sysconfig/network-scriptscp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0
#若是隧道模式，复制为ifcfg-tun10vim ifcfg-ens33:0DEVICE=ens33:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.122.188
NETMASK=255.255.255.255[root@director network-scripts]# ifconfig ens33:0

调整proc响应系统
由于LVS负载调度器和各节点需要共用VIP地址，需要关闭icmp的重定向，不充当路由器。

vim /etc/sysctl.conf
#末行写入以下内容
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0sysctl -p

配置负载分配策略

ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm
ipvsadm -C#添加策略，若隧道模式，-g替换为-i
ipvsadm -A -t 192.168.2.188:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.2.188:80 -r 192.168.122.100:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.2.188:80 -r 192.168.122.101:80 -g#保存策略并查看
ipvsadm
ipvsadm -ln  

2）部署NFS共享存储

#关闭防火墙和selinux
systemctl stop firewalld
setenforce 0yum install -y nfs-utils rpcbind
mkdir /opt/test1 /opt/test2
chmod 777 /opt/test1 /opt/test2
echo "This is test1 web" > /opt/test1/index.html
echo "This is test2 web" > /opt/test2/index.html#编辑共享目录
vim /etc/exports/usr/share *(ro,sync)
/opt/test1 192.168.2.0/24(rw,sync)
/opt/test2 192.168.2.0/24(rw,sync)#启动服务 
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
#查看目录
showmount -e

3）配置节点服务器

web1(192.168.2.100)

配置虚拟IP地址（VIP：192.168.2.188）
此地址仅用作发送Web响应数据包的源地址，并不需要监听客户机的访问请求（改由调度器监听并分发）。

因此使用虚接口lo:0来承载VIP地址，并为本机添加一条路由记录，将访问VIP的数据限制在本地，以避免通信紊乱

cd /etc/sysconfig/network-scripts
#配置lo:0
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0
vim ifcfg-lo:0DEVICE=lo:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.122.188
NETMASK=255.255.255.255
#注意：子网掩码必须全为1ifup lo:0
ifconfig lo:0
route add -host 192.168.122.188 dev lo:0
#临时添加vim /etc/rc.local 
#末行添加，加入开机自启动
/sbin/route add -host 192.168.122.188 dev lo:0chmod +x /etc/rc.d/rc.local 

调整内核的ARP响应参数以组织更新VIP的MAC地址，避免发生冲突

vim /etc/sysctl.conf net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
#系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
#系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址，而选择发送接口的IP地址
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2sysctl -p

1. 安装服务，进行nfs挂载

#服务安装
yum install -y nfs-utils rpcbind httpd#启动服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
systemctl start httpd#将共享目录挂载到本机
mount.nfs 192.168.122.88:/opt/test1 /var/www/html

web2(192.168.2.101)web2和web1的配置相同，除了最后的nfs挂载

4）浏览器访问测试

在客户端使用浏览器访问 [http://192.168.122.188](http://192.168.122.188/)