LVS负载均衡群集——NAT模式实操-阿里云开发者社区

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

使用价格昂贵的小型机、大型机（纵向扩展）
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

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。
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

创建虚拟器节点
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

7.2 ipvsadm工具

LVS的管理工具是ipvsadm

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)

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

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

#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

#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

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

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

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

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

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

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

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

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

LVS负载均衡群集——NAT模式实操

一、集群

1.1 集群的含义

1.2 使用集群的原因

1.3 解决方法

二、集群分类

2.1 负载均衡群集(Load Balance Cluster)

2.2 高可用群集 (High Availability Cluster)

2.3 高性能运算群集 (High Performance Computer Cluster)

三、负载均衡群集架构

四、负载均衡群集工作模式分析

4.1 NAT模式（地址转换）

4.2 TUN模式（IP隧道）

4.3 DR模式（直接路由）

五、LVS虚拟服务器

5.1 LVS介绍

5.2 LVS的组成及作用

5.3 LVS与nginx做比较

六、LVS负载调度算法

七、LVS群集创建与管理

7.1 步骤

7.2 ipvsadm工具

八、LVS-NAT模式操作实例

实验内容

8.1 部署共享存储（NFS服务器：192.168.147.103）

8.2 配置节点服务器（后端服务器）

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

8.3.2 下载所需工具包并配置网卡

8.3.3 配置SNAT转发规则

8.3.4 加载LVS内核模块

8.3.5 启动ipvsadm服务

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）

8.3.7 配置节点服务器网关指向LVS调度器

8.4 测试效果

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2.1 负载均衡群集(Load Balance Cluster)

2.2 高可用群集 (High Availability Cluster)

2.3 高性能运算群集 (High Performance Computer Cluster)

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四、负载均衡群集工作模式分析

4.1 NAT模式（地址转换）

4.2 TUN模式（IP隧道）

4.3 DR模式（直接路由）

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7.2 ipvsadm工具

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8.1 部署共享存储（NFS服务器：192.168.147.103）

8.2 配置节点服务器（后端服务器）

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

8.3.2 下载所需工具包并配置网卡

8.3.3 配置SNAT转发规则

8.3.4 加载LVS内核模块

8.3.5 启动ipvsadm服务

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）

8.3.7 配置节点服务器网关指向LVS调度器

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