LVS负载均衡群集——NAT模式实操

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简介: LVS负载均衡群集——NAT模式实操

一、集群

1.1 集群的含义

  • Cluster,集群、群集
  • 由多台主机构成,但对外只表现为一个整体,只提供一个访问入口(域名与IP地址),相当于一台大型计算机。

1.2 使用集群的原因

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性的要求。

1.3 解决方法

  1. 使用价格昂贵的小型机、大型机(纵向扩展)
  2. 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务集群(横向扩展)

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,并且同一个IP地址对外提供相同的服务。

在企业中常用的一种集群技术——LVS(Linux Virtual Server,Linux虚拟服务器)

二、集群分类

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(分布式)

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、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,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

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。(VRRP)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

三、负载均衡群集架构

第一层,负载调度器(Load Balancer或Director)

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)

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)

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。

四、负载均衡群集工作模式分析

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(TUN模式)
  • 3、直接路由(DR模式)
  • 通常使用 NAT和DR,使用最多的是DR模式。

4.1 NAT模式(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

4.2 TUN模式(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
  • 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

4.3 DR模式(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

五、LVS虚拟服务器

5.1 LVS介绍

LVS现在已成为Linux内核的一部分,默认编译为ip_ vs模块,必要时能够自动调用。在CentOS 7系统中,以下操作可以手动加载ip_ vs模块,并查看当前系统中ip_ vs模块的版本信息。

modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs    #确认内核对LVS的支持

5.2 LVS的组成及作用

  1. ipvs(ip virtual server):LVS 是基于内核态的 netfilter 框架实现的 IPVS 功能,工作在内核态。用户配置 VIP 等相关信息并传递到 IPVS 就需要用到 ipvsadm 工具。
  2. ipvsadm:ipvsadm 是 LVS 用户态的配套工具,可以实现 VIP 和 RS 的增删改查功能,是基于 netlink 或 raw socket 方式与内核 LVS 进行通信的,如果 LVS 类比于 netfilter,那 ipvsadm 就是类似 iptables 工具的地位。

作用:

  • 主要用于多服务器的负载均衡;
  • 工作在网络层,可实现高性能,高可用的服务器集群技术;
  • 廉价,可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器;
  • 易用,配置简单,有多种负载均衡的方法;
  • 稳定可靠,即使在集群的服务器中某台服务器无法正常工作,也不影响整体效果;
  • 可扩展性好;

5.3 LVS与nginx做比较

  • LVS 比 Nginx 具有更强的抗负载能力,性能高,对内存和 CPU 资源消耗较低;
  • LVS 工作在网络层,网络依赖性大,稳定性高。Nginx 安装配置较简单,网络依赖性小
  • LVS 不支持正则匹配处理,无法实现动静分离效果。Nginx 可实现这方面的功能;
  • LVS 适用的协议范围广。Nginx 仅支持 HTTP、HTTPS、Email 协议,适用范围小;

六、LVS负载调度算法

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) ,均等地对待每一台服务器 ,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,分配的请求数越多
  • 保证性能强的服务器承担更多的访问流量

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

加权最少连接(Weighted L east Connections )

  • 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

七、LVS群集创建与管理

7.1 步骤

  1. 创建虚拟器节点
  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

7.2 ipvsadm工具

LVS的管理工具是ipvsadm

image.png

八、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

LVS负载调度器:ens33:192.168.147.100 ens37:10.0.0.1(vmnet3)

Web1 节点服务器1:192.168.147.101

Web2 节点服务器2:192.168.147.102

NFS服务器:192.168.147.103

客户端(win10):10.0.0.12 (VMnet3)

image.png

8.1 部署共享存储(NFS服务器:192.168.147.103)

systemctl stop firewalld.service 
systemctl disable firewalld.service 
setenforce 0
yum install -y nfs-utils rpcbind
systemctl start nfs.service 
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable nfs.service 
systemctl enable rpcbind.service
mkdir /opt/zhangsan /opt/lisi
chmod 777 /opt/zhangsan /opt/lisi
vim /etc/exports
/usr/share *(ro,sync)
/opt/zhangsan 192.168.147.0/24(rw,sync)
/opt/lisi 192.168.147.0/24(rw,sync)
#发布共享
exportfs -rv
showmount -e

image.png

image.png

image.png

image.png

image.png

8.2 配置节点服务器(后端服务器)

192.168.147.101     192.168.147.102
systemctl stop firewalld.service 
systemctl disable firewalld.service 
setenforce 0
yum install -y httpd
systemctl start httpd.service 
systemctl enable httpd.service
yum install -y nfs-utils rpcbind
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable rpcbind.service
showmount -e 192.168.147.103

image.png

image.png

image.png

#web1:192.168.147.101
mount.nfs 192.168.147.103:/opt/zhangsan /var/www/html/
echo 'this is zhangsan' > /var/www/html/index.html
vim /etc/fstab 
192.168.147.103:/opt/zhangsan /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a

image.png

image.png

#web2:192.168.147.102
mount.nfs 192.168.147.103:/opt/lisi /var/www/html/
echo 'this is lisi' > /var/www/html/index.html
vim /etc/fstab 
192.168.147.103:/opt/lisi /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a

image.png

image.png

8.3 配置负载调度器LVS(ens33:192.168.147.100 ens36:10.0.0.1)

8.3.1 创建网卡

image.png

image.png

image.png

8.3.2 下载所需工具包并配置网卡

systemctl stop firewalld.service 
systemctl disable firewalld.service 
setenforce 0
#下载工具包
yum install -y ipvsadm
#修改网卡
cp /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens36
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens36
systemctl restart network

image.png

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image.png

8.3.3 配置SNAT转发规则

vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward=1
sysctl -p
或者:echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -nL
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.147.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 10.0.0.1
nat表:修改数据包中的源、目标IP地址或端口
POSTROUTING: 在进行路由判断之"后"所要进行的规则(SNAT/MASQUERADE)
PREROUTING: 在进行路由判断之"前"所要进行的规则(DNAT/REDIRECT)
-A: 在规则链的末尾加入新规则
-s: 匹配来源地址IP/MASK.
-o 网卡名称匹配从这块网卡流出的数据
-i 网卡名称匹配从这块网卡流入的数据
-j 控制类型

image.png

image.png

image.png

8.3.4 加载LVS内核模块

modprobe ip_vs   #手动加载ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs    #查看ip_vs版本信息

8.3.5 启动ipvsadm服务

#注意:启动服务前必须保存负载分配策略,否则将会报错
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者
ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者
touch /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service

image.png

8.3.6 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
ipvsadm -A -t 10.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 192.168.147.101:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 10.0.0.1:80 -r 192.168.147.102:80 -m -w 1
ipvsadm     #启动策略
ipvsadm -ln    #查看节点状态,Masq代表 NAT模式
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm    #保存策略

image.png

8.3.7 配置节点服务器网关指向LVS调度器

#web1
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
systemctl restart network

image.png

#web2
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
systemctl restart network

image.png

8.4 测试效果

在win10上使用浏览器访问10.0.0.1,刷新浏览器测试负载均衡

PS:刷新间隔时间需要稍长一点

image.png

image.png

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