LVS负载均衡群集NAT模式

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

1.2、lvs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，增加设备，并行运行多个服务调度分配问题
  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

1.4.1、负载均衡群集

LB：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，减少延迟目标，获得高并发，高负载的整体性能
• LB的负载分配依赖于主节点的分流算法

1.4.2、高可用群集

HA；高可用，避免 SPOF

• 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，达到高可用的容错效果
• HA的工作方式包括双工和主从两种模式

1.4.3、高性能运算群集

高性能运算群集
HPC：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能力
• 高性能依赖于“分布式”运算、“并行运算”，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

1.5、LVS的负载调度算法

1.5.1、轮询

• 将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各个节点
• 均等的对待每台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载

1.5.2、加权轮询

• 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

1.5.3、最少连接

• 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最少得节点
• 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负载均衡

1.5.4、加权最少连接

• 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
• 权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载

1.5.5、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，以至于可以将请求上下文信息存储在这个服务器上

1.5.6、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

1.5.7、 fail

• 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。

1.8、集群设计原则

1.可扩展性—集群的横向扩展能力
2.可用性—无故障时间 (SLA service level agreement)
3.性能—访问响应时间
4.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

1.9.1、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

1.9.2、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

1.10、负载均衡群集架构

1.第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）

2.第二层，服务器池（Server Pool）

3.第三层，共享存储（Share Storage）

1.11、 LB Cluster 负载均衡集群

1.11.1、 按实现方式划分

• 硬件
  F5 Big-IP（F5服务器负载均衡模块）
  
  Citrix Netscaler

A10 A10

• 软件

1.11.2、基于工作的协议层次划分

• 传输层（通用）：DNAT 和 DPORT
  LVS：
  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…

1.11.3、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

2.session replication：每台服务器拥有全部session（复制）
session multicast cluster

3.session server：专门的session服务器（server）
Memcached，Redis

1.12、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
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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”

2.3、LVS 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。

2.3.1、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（Elastic Compute 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

2.3.2、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。

2.3.3、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

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

3.1.1、 LVS的NAT模式

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

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

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

3.1.4、 LVS工作模式总结和比较

四、ipvsadm 工具

4.1 ipvsadm 工具选项说明

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：192.168.11.14(ens33)  外网卡：12.0.0.1(ens36)
二台WEB服务器集群池：192.168.11.12 192.168.11.13 
一台NFS共享服务器：192.168.11.11
客户端：
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5.1部署共享存储（NFS服务器：192.168.11.11）

• 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 yxp dhc
echo "this is yxp" >yxp/index.html
echo "this is dhc" >dhc/index.html
 
4. #开启服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
 
5. #授权
chmod 777 yxp/ dhc/
 
6. #设置共享策略
vim /etc/exports
/opt/yxp 192.168.11.0/24(rw,sync)
/opt/dhc 192.168.11.0/24(rw,sync)
 
 
7. #发布服务
systemctl restart nfs
exportfs -rv
 
 
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关闭防火墙

安装nfs服务
新建目录，并创建站点文件

开启服务

授权

设置共享策略


发布服务

5.2节点Web服务器

第一台（192.168.11.12）

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 192.168.11.11
 
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
df
cat /var/www/html/index.html
mount 192.168.11.11:/opt/yxp /var/www/html/
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.11.11:/opt/yxp/  /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=192.168.11.11
#DNS1=8.8.8.8
 
7. #重启网络服务
systemctl restart network
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关闭防火墙

安装httpd

查看nfs服务

挂载站点，临时挂载

永久挂载

开启httpd服务

指定网关

重启网络服务

第二台（192.168.11.13）

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 192.168.11.11
 
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
mount 192.168.11.11:/opt/dhc /var/www/html/
df
cat /var/www/html/index.html
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.11.11:/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=192.168.11.11
#DNS1=8.8.8.8
 
7. #重启网络服务
systemctl restart network
 
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关闭防火墙

安装httpd

查看nfs服务

临时挂载站点

永久挂载


开启httpd服务

指定网关

重启网络服务

5.3 负载调度器
内网：192.168.11.11(ens33) 外网卡：12.0.0.1(ens36)

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ens36，配置网卡，重启网络
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
vim ifcfg-ens36
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 192.168.11.0/24 -o ens37 -j SNAT --to 12.0.0.1
#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 12.0.0.1:80 -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 12.0.0.1:80 -r 192.168.11.12:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.11.13:80 -m
#开启服务
ipvsadm
 
10. 查看策略
ipvsadm -ln
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关闭防火墙

安装ipvsadm

添加一块网卡，我这里是ens36，配置网卡

打开路由转发功能

防火墙做策略

开启路由功能，刷新

开启ipvsadm服务

清空策略

制定查看策略

连通性测试