LVS (Linux Virtual server)集群介绍

本文涉及的产品
云服务器 ECS,u1 4核16GB 1个月
云服务器 ECS,u1 2核4GB 3个月
云服务器 ECS,u1 4核8GB 1个月
简介: LVS (Linux Virtual server)集群介绍

一   集群和分布式

(一)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

(即升级单机的硬件设备)

  • Scale Out:水平扩展,向外扩展,增加设备,并行地运行多个服务调度分配问题,Cluster

(二)集群 Cluster

1,集群定义

Cluster:集群,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

2,集群类型

  • LB: Load Balancing,负载均衡,多个主机组成,每个主机只承担一部分访问请求(即反向代理)
  • HA: High Availiablity,高可用(即备胎技术),避免 SPOF(single Point Of failure)
  • HPC: High-performance computing,高性能

3, SLA 介绍

3.1 具体内容

服务等级协议(简称:SLA,全称:service level agreement)。是在一定开销下为保障服

务的性能和可用性,服务提供商与用户间定义的一种双方认可的协定。通常这个开销是驱动提供服

务质量的主要因素。在常规的领域中,总是设定所谓的三个9,四个9来进行表示,当没有达到这

种水平的时候,就会有一些列的惩罚措施,而运维,最主要的目标就是达成这种服务水平。

3.2 几个9的含义

1年 = 365天 = 8760小时

90 = (1-90%)*365=36.5天

99 = 8760 * 1% = 87.6小时

99.9 = 8760 * 0.1% = 8760 * 0.001 = 8.76小时

99.99 = 8760 * 0.0001 = 0.876小时 = 0.876 * 60 = 52.6分钟

99.999 = 8760 * 0.00001 = 0.0876小时 = 0.0876 * 60 = 5.26分钟

99.9999= (1-99.9999%)*365*24*60*60=31秒

(三) 分布式系统

(最简单理解为黑客挖矿)

1,分布式存储

Ceph,GlusterFS,FastDFS,MogileFS

2,分布式计算

hadoop,Spark

3,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

(四)集群和分布式

1,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。

2,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。

3,集群分布式  一起使用

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。

对于大型网站,访问用户很多,实现一个群集,在前面部署一个负载均衡服务器,后面几台服务器完成同一业务。如果有用户进行相应业务访问时,负载均衡器根据后端哪台服务器的负载情况,决定由给哪一台去完成响应,并且一台服务器垮了,其它的服务器可以顶上来。分布式的每一个节点,都完成不同的业务,如果一个节点垮了,那这个业务可能就会失败

(五)集群设计原则

可扩展性—集群的横向扩展能力

可用性—无故障时间 (SLA service level agreement)

性能—访问响应时间

容量—单位时间内的最大并发吞吐量(C10K 并发问题)

(六)集群设计实现

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

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

(七) LB Cluster 负载均衡集群

1, 按实现方式划分

1.1 按硬件

F5 Big-IP(F5服务器负载均衡模块)

Citrix Netscaler

A10 A10  等

1.2 按软件

lvs:Linux Virtual Server,阿里四层 SLB (Server Load Balance)使用

nginx:支持七层调度(可以识别url 支持url hash 算法),阿里七层SLB使用 Tengine  (可七层 可四层  )

haproxy:支持七层调度

ats:Apache Traffic Server,yahoo捐助给apache

perlbal:Perl 编写

pound

2,基于工作的协议层次划分

2.1   传输层(通用):

DNAT 和 DPORT

LVS

nginx:stream

haproxy:mode tcp

2.2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... (读写分离)

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

  1. session replication:每台服务器拥有全部session(复制)

session multicast cluster

  1. session server:专门的session服务器(server)

Memcached,Redis

(八)    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

(一)   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

(二) 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”

(三) 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。

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,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。

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

4,同城容灾 (多可用区容灾)

为了提供更加稳定可靠的负载均衡服务,阿里云负载均衡已在各地域部署了多可用区以实现同地域容灾。当主可用区出现机房故障或不可用时,负载均衡仍然有能力在非常短的时间内(如:大约30s中断)切换到另外一个备可用区恢复服务能力;当主可用区恢复时,负载均衡同样会自动切换到主可用区提供服务。使用负载均衡时,您可以将负载均衡实例部署在支持多可用区的地域以实现同城容灾。此外,建议您结合自身的应用需要,综合考虑后端服务器的部署。如果您的每个可用区均至少添加了一台ECS实例,那么此种部署模式下的负载均衡服务的效率是最高的。

(四)  LVS集群类型中的术语

  • VS(代理服务器):Virtual Server,Director Server(DS), Dispatcher(调度器),Load Balancer(lvs服务器)
  • RS(真实服务器):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 代理服务器的外网ip
  • DIP:Director IP VS内网的IP 代理服务器的 内网ip
  • RIP:Real server IP (真实IP) 真实服务器 ip

访问流程:CIP <--> VIP == DIP <--> RIP

三     LVS工作模式和相关命令

(一) LVS集群的工作模式

  • 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)     这是默认模式        
  • lvs-tun:隧道模式

(二)LVS的NAT模式

1,架构图

2,文字描述 整个过程

2.1 当客户端 发起请求报文是:

源ip:客户端的ip地址(cip)                                          目的地址:vip(代理服务器的外网地址)

2.2.当数据包到达我们的 代理服务器 源ip不变,需要修改目的ip及端口号

源ip:客户端的ip地址(cip)                                          目的地址:rip (后端真实服务器ip)

2.3 .真实服务器 收到报文后 构建响应报文

源ip:改成真实服务器自己的ip(vip 是内网地址)         目的地址:cip 外网客户端地址

2.4.再发给代理服务器,代理服务会修改 源ip 将内网地址 改成外网地址

源ip:代理服务器的 外网ip (vip)                                 目的地址: cip(外网客户端的地址)

3,注意事项

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lvs服务器转发,lvs服务器易于成为系统瓶颈

(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

(三)  IP隧道

1,架构图

2,过程

  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

一般来说,隧道模式常会用来负载调度缓存服务器组,这些缓存服务器一般放置在不同的网络环境,可以就近

折返给客户端。在请求对象不在Cache服务器本地命中的情况下,Cache服务器要向源服务器发送请求,将结

果取回,最后将结果返回给用户。

(四) 直接路由

1,DR模式的特点

  1. Director(调度器)和各RS(真实服务器)都配置有VIP(虚拟ip)
  2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director
  • 在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址
  • 在RS上使用arptables工具
arptables -A IN -d $VIP -j DROP
arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP

2,在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别

/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
忽略 arp
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
无故arp   不检测arp

3,注意事项

RS的RIP可以使用私网地址,也可以是公网地址;RIP与DIP在同一IP网络;RIP的网关不能指向DIP,以确保响应报文不会经由Director

  1. RS和Director要在同一个物理网络
  2. 请求报文要经由Director,但响应报文不经由Director,而由RS直接发往Client
  3. 不支持端口映射(端口不能修改)
  4. 无需开启 ip_forward
  5. RS可使用大多数OS系统

(五)  LVS工作模式总结和比较

NAT TUN DR
优点 端口转换 WAN 性能最好
缺点 性能瓶颈 服务器支持隧道模式 不支持跨网段
真实服务器要求 any Tunneling Non-arp device
支持网络 private(私网) LAN/WAN(私网/公网) LAN(私网)
真实服务器数量 low (10~20) High (100) High (100)
真实服务器网关 lvs内网地址 Own router(网工定义) Own router(网工定义)

(六) LVS 调试算法

ipvs scheduler:根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态

分为两种:静态方法和动态方法

1, 静态

不管后端真实服务器的 状态,根据自身 算法进行调度

1、RR:roundrobin,轮询,较常用

2、WRR:Weighted RR,加权轮询,较常用

3、SH:Source Hashing,实现session sticky,源IP地址hash;将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS,从而实现会话绑定

4、DH:Destination Hashing;目标地址哈希,第一次轮询调度至RS,后续将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS,典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡,如: Web缓存

为什么没有 url hash 他是4层 看不懂

2, 动态

主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value 较小的RS将被调度

overhead一个参考值 来确定服务器是否忙 值越小,代表服务器 闲,就会优先调度

1、LC:least connections 适用于长连接应用 (最小连接数)

Overhead=activeconns*256+inactiveconns

活跃数乘以 256  +  非活跃数

2、WLC:Weighted LC,默认调度方法,较常用

(加了权重的 LC)

Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3, SED:Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先,只检查活动连接,而不考虑非活动连接

Overhead=(activeconns+1)*256/weight      为什么要加1 防止是0

4, NQ:Never Queue,第一轮均匀分配,后续SED

5,LBLC:Locality-Based LC,动态的DH算法,使用场景:根据负载状态实现正向代理,实现Web Cache等

6,LBLCR:LBLC with Replication,带复制功能的LBLC,解决LBLC负载不均衡问题,从负载重的复制到负载轻的RS,,实现Web Cache等

四    ipvsadm 工具

实现内核功能的工具

(一) 选项

-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: 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
一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。ipvsadm -ln

(二)  管理集群服务

ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [--pe persistence_engine] [-b sched-flags]
ipvsadm -D -t|u|f service-address #删除
ipvsadm –C #清空
ipvsadm –R #重载,相当于ipvsadm-restore
ipvsadm -S [-n] #保存,相当于ipvsadm-save
#管理集群中的RS
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]  
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]

(三) lvs类型

   -g: gateway, dr类型,默认

   -i: ipip, tun类型

   -m: masquerade(伪装), nat类型        

  -w weight:权重

例子:

ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr

ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.11:80 -m

(四)yum 安装常见文件位置

主程序:/usr/sbin/ipvsadm

规则保存工具:/usr/sbin/ipvsadm-save

规则重载工具:/usr/sbin/ipvsadm-restore

配置文件:/etc/sysconfig/ipvsadm-config

ipvs调度规则文件:/etc/sysconfig/ipvsadm

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