一、群集概述
1.1 群集的含义
- Cluster，集群、群集
- 由多台主机构成，但对外只表现为一一个整体，只提供一-个访问入口(域名或IP地址)， 相当于一台大型计算机。
1.2 使用群集的原因
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。
解决方法：
- 使用价格昂贵的小型机、大型机。（纵向扩容）
- 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。（横向扩容）
LVS群集技术：
- 在企业中常用的一种群集技术一LVS （Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器）
- 通过整合多台服务器，使用LVS来达到服务器的高可用和负载均衡，并以同一个IP地址对外提供相同的服务。
1.3 群集的目的
- 提高性能：计算密集应用。如天气预报，核试验模拟。
- 降低成本：相对百万美元的超级计算机，价格便宜。
- 提高可扩展性：只要增加集群节点即可。
- 增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。
二、企业群集分类
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
- 高性能运算群集
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、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请求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”、“反向代理” 等。
2.2 高可用群集（High Availability Cluster）
- 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” 等。
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。例如，'云计算”、 “网格计算”等。
三、负载均衡群集
3.1 负载均衡群集架构
第一层，负载调度器(Load Balancer或Director) 负载均衡层
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。
第二层，服务器池(Server Pool) WEB应用层
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。
第三层，共享存储(Share Storage) 确保多台服务器使用的是相同的资源
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设备，或者提供NFS共享服务的专用服务器。
（因为节点服务器的资源都是由NAS或NFS提供，所以NAS或NFS需要做主备、或分布式，从而实现高可用。）
3.2 负载均衡群集的工作模式
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：
- 1、地址转换（NAT模式）
- 2、IP隧道（IP-TUN）
- 3、直接路由（DR模式）
通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR模式。
3.2.1 NAT模式（地址转换）
地址转换
- Network Address Translation，简称NAT模式
- 类似于防火墙的私有网络结构，负载调度器作为所有服务器节点的网关，即作为客户机 的访问入口，也是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。
- 缺点：由于NAT的负载均衡器既作为用户的访问请求入口，也作为节点服务器响应请求的出口，承载两个方向的压力，调度器的性能会成为整个集群的瓶颈。
3.2.2 TUN模式（IP隧道）
IP隧道：
- IP Tunnel ，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。承载的压力比NAT小。
- 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。
- 缺点：成本很高。
- 这种模式一般应用于特殊场景，比如将节点服务器分布在全国各地，防止被物理攻击（如地震、战争等），做灾备。
3.2.3 DR模式（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，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。承载的压力比NAT小。
- 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。
四、LVS虚拟服务器
4.1 LVS虚拟服务器简介
Linux Virtual Server：
- 针对Linux内核开发的负载均衡
- 1998年5月，由我国的章文嵩博士创建
- 官方网站：www.linuxvirtualserver.org/
- 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来一种高效的解决方法
4.2 LVS相关术语
DS：Director Server。指的是前端负载均衡器。
RS：Real Server。节点服务器，后端真实的工作服务器。
VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。
4.2 LVS的负载调度算法
（1）固定调度算法：rr, wrr， dh，sh
rr：轮询算法（Round Robin）
- 将请求依次分配给不同的RS节点，即RS节点中均摊分配。适合于RS所有节点处理性能接近的情况。
- 将收到的访问请求安装顺序轮流分配给群集指定各节点（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。
wrr：加权轮询调度（Weighted Round Robin）
- 依据不同RS的权重值分配任务。权重值较高的RS将优先获得任务，并且分配到的连接数将比权值低的RS更多。相同权值的RS得到相同数目的连接数。
- 保证性能强的服务器承担更多的访问流量。
dh：目的地址哈希调度（destination hashing）
- 以目的地址为关键字查找一个静态hash表来获得所需RS。
sh：源地址哈希调度（source hashing）
- 以源地址为关键字查找--个静态hash表来获得需要的RS。
（2）动态调度算法： wlc，lc，1blc
lc：最小连接数调度（ Least Connections）
- ipvs表存储了所有活动的连接。LB会比较将连接请求发送到当前连接最少的RS。
- 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：加权最小连接数调度（Weighted Least Connections）
- 假设各台RS的权值依次为Wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次取Ti/Wi为最小的RS作为下一个分配的RS。
- 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。
- 性能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数调度(locality-based least-connection)
- 将来自同一个目的地址的请求分配给同一-台RS，此时这台服务器是尚未满负荷的。否则就将这个请求分配给连接数最小的RS，并以它作为下一次分配的首先考虑。
4.3 加载 ip_vs 通用模块
LVS现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调动。
在CentOS 7 系统中，手动加载 ip_vs 模块的命令如下：
modprobe ip_vs //手动加载 ip_vs 模块 cat /proc/net/ip_vs //查看当前系统中ip_vs模块的版本信息 复制代码
4.4 加载 LVS 所有的负载调度算法
LVS 所有的负载调度算法文件在 /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/ 目录下：
[root@yuji ipvs]# pwd /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs [root@yuji ipvs]# ls ip_vs_dh.ko.xz ip_vs_lc.ko.xz ip_vs_sh.ko.xz ip_vs_ftp.ko.xz ip_vs_nq.ko.xz ip_vs_wlc.ko.xz ip_vs.ko.xz ip_vs_pe_sip.ko.xz ip_vs_wrr.ko.xz ip_vs_lblc.ko.xz ip_vs_rr.ko.xz ip_vs_lblcr.ko.xz ip_vs_sed.ko.xz 复制代码
加载所有的负载调度算法：
[root@yuji ipvs]# ls | grep -o "^[^.]*" //过滤出所有调度算法的名称 ip_vs_dh ip_vs_ftp ip_vs ip_vs_lblc ip_vs_lblcr ip_vs_lc ip_vs_nq ip_vs_pe_sip ip_vs_rr ip_vs_sed ip_vs_sh ip_vs_wlc ip_vs_wrr [root@yuji ipvs]# for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)l/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modF filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done ip_vs_dh ip_vs_ftp ip_vs ip_vs_lblc ip_vs_lblcr ip_vs_lc ip_vs_nq ip_vs_pe_sip ip_vs_rr ip_vs_sed ip_vs_sh ip_vs_wlc ip_vs_wrr 复制代码
可以将加载调度算法的命令写入脚本中：
#!/bin/bash a=$(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*") for i in $a do echo $i #查看单个模块的详细信息 /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 #加载算法模块 /sbin/modprobe $i done 复制代码
五、ipvsadm工具
ipvsadm是一个工具，同时它也是一条命令，用于管理LVS的策略规则。
ipvsadm是ipvs的管理器，需要yum安装。
ipvsadm工具的作用：
LVS群集创建与管理：
- 创建虚拟服务器
- 添加、删除服务器节点
- 查看群集及节点情况
- 保存负载分配策略
ipvsadm 命令选项说明：
| 选项 | 功能 |
| -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) |
| -t | 指定VIP地址及TCP端口 （调度器使用） |
| -r | 指定RIP地址及TCP端口 （节点服务器使用） |
| -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） ，默认值为1 |
| -p 60 | 表示保持长连接60秒。默认值就是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。-l需要在-n之前。ipvsadm -ln |
六、LVS-NAT模式操作实例
实验内容：
LVS调度器作为Web服务器池的网关，LVS两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr）调度算法。
实验环境：
一台NFS服务器： 192.168.72.192/24
两台WEB服务器： 192.168.72.30/24，192.168.72.40/24
一台LVS负载调度服务器（2块网卡）： 内网192.168.72.10/24（ens33)，外网12.0.0.254/24（ens36）
win10 客户机： 12.0.0.200/24
6.1 部署NFS共享存储服务(NFS服务器：192.168.72.192/24)
#1、关闭防火墙 [root@nfs ~]# systemctl disable --now firewalld [root@nfs ~]# setenforce 0 #2、安装nfs-utils、rpcbind软件包 [root@nfs ~]# yum install nfs-utils rpcbind -y #3、新建共享目录，并创建站点文件 [root@nfs ~]# mkdir /share/ [root@nfs ~]# cd /share/ [root@nfs share]# mkdir tt nn [root@nfs share]# echo "tt is a girl" > tt/index.html [root@nfs share]# echo "nn is a boy" > nn/index.html #4、修改共享配置文件，设置共享策略 [root@nfs share]# pwd /share [root@nfs share]# vim /etc/exports /share/tt 192.168.72.0/24 /share/nn 192.168.72.0/24 #5、启动两个服务，查看本机的NFS共享目录 [root@nfs share]# systemctl start rpcbind [root@nfs share]# systemctl start nfs [root@nfs share]# showmount -e //查看本机发布的NFS共享目录 复制代码
