LVS集群

一. LVS集群相关知识:

1. 集群和分布式:

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 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

注意:

垂直扩展不再提及:

随着计算机性能的增长,其价格会成倍增长,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。

1.1 集群 Cluster:

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

Cluster分为三种类型:

  • 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
  • HA: High Availiablity,高可用,避免 SPOF(single Point Of failure)
  • HPC: High-performance computing,高性能

知识拓展:

MTBF: Mean Time Between Failure 平均无故障时间,正常时间

MTTR: Mean Time To Restoration( repair)平均恢复前时间,故障时间

A = MTBF /(MTBF+MTTR) (0,1):99%,99.5%,99.9%,99.99%,99.999%

SLA: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。

停机时间又分为两种,一种是计划内停机时间,一种是计划外停机时间,而运维则主要关注计划外停机时间。

1.2 分布式系统:

分布式存储:Ceph,GlusterFS,FastDFS,MogileFS

分布式计算: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

1.3 集群和分布式:

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。

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。

1.4 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)

1.5 集群设计实现:

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
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

1.6 LB Cluster 负载均衡集群:

1.6.1 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:

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

nginx:支持七层调度,阿里七层SLB使用 Tengine

haproxy:支持七层调度

ats:Apache Traffic Server,yahoo捐助给apache

perlbal:Perl 编写

pound

1.6.2 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...

1.6.3 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)

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

1.7 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

2.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

SLB(Server Load Balance)是基于LVS+keepalived实现

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年多
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集群体系架构:

第一层:负载调度器 :通过VIP接收用户的请求,再通过调度算法确定要转发的节点服务器

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:服务器池中的节点服务器 : 通过RIP接收调度器转发来的请求,并处理请求进行响应

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 :为各个节点服务器提供稳定、一致的文件存取服务,比如NAS+NFS,文件服务器+NFS,分布式对象存储等存储设备

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。)

2.4 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。

2.5 LVS 集群类型中的术语:

  • VS:Virtual Server,Director Server(DS), Dispatcher(调度器),Load Balancer(lvs代理服务器)
  • RS:Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)(真实服务器)
  • CIP:Client IP(客户机的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 (真实服务器的IP地址)

3.LVS工作模式和相关命令:

3.1 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)

  • lvs-tun:隧道模式

3.1.1LVS 的NAT模式:

过程:

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

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。

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

DR模式的特点:

  1. Director和各RS都配置有VIP

  2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director

  3. RS和Director要在同一个物理网络

  4. 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

  5. 不支持端口映射(端口不能修改)

  6. 无需开启 ip_forward

  7. RS可使用大多数OS系统

3.1.4 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)

3.2 LVS调度算法:

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

**静态方法:**不管后端真实服务器的状态,根据自身算法进行调度

**动态方法:**会根据后端服务器的状态来进行调度

静态::

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

动态:

一个参考值来确定服务器是否忙,这个值越小,代表服务器闲 就会优先调度服务器

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

这个值越小 ,代表服务器闲 就会优先调度给闲的服务器

1、LC:least connections 适用于长连接应用

2、WLC:Weighted LC,默认调度方法,较常用

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

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

4 ipvsadm 工具:

ipvsadm 工具选项说明:

-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

bash 复制代码
#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]
 
选项:
lvs类型:
    -g: gateway, dr类型,默认
    -i: ipip, tun类型
    -m: masquerade, nat类型        
    -w weight:权重
 
例子:
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr   #定义代理服务器  -A 新建代理服务器  -t  tcp协议  -s  rr 算法
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.40.20:80 -m   #定义真实服务器  -a 
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.40.30:80 -m     -r  认12.0.0.1做代理   -m  nat类型

配置文件:

Unit File: ipvsadm.service

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

二. NAT模式 LVS负载均衡部署:

配置环境:

bash 复制代码
负载调度器:配置双网卡 内网:192.168.91.3(ens33)  外网卡:12.0.0.1(ens36)
 
二台WEB服务器集群池:192.168.44.4、192.168.44.5    
 
一台NFS共享服务器:192.168.44.7

1.关掉防火墙和selinux:

bash 复制代码
[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld
[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# 

2.配置7-4NFS服务器:

**安装NFS:**yum install nfs-utils rpcbind -y
开启NFS:systemctl start nfs

配置共享文件:

bash 复制代码
[root@localhost ~]# mkdir /share
[root@localhost ~]# vim /etc/exports
[root@localhost ~]# 
[root@localhost ~]# exportfs -r
exportfs: No options for /share *: suggest *(sync) to avoid warning
[root@localhost ~]# exportfs -v
/share        	<world>(ro,sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,secure,root_squash,no_all_squash)
bash 复制代码
/share	*

更改配置文件:

bash 复制代码
[root@localhost ~]# mv /share  /benet
[root@localhost ~]# mkdir /accp
[root@localhost ~]# 
bash 复制代码
[root@localhost ~]# vim /etc/exports
 
/benet  *
/accp   *

查看:

bash 复制代码
[root@localhost ~]# exportfs -r
exportfs: No options for /benet *: suggest *(sync) to avoid warning
exportfs: No options for /accp *: suggest *(sync) to avoid warning
[root@localhost ~]# exportfs -v
/benet        	<world>(ro,sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,secure,root_squash,no_all_squash)
/accp         	<world>(ro,sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,secure,root_squash,no_all_squash)
[root@localhost ~]# 

写点内容 到文件夹中方便测试查看:

bash 复制代码
[root@localhost ~]# cd /accp
[root@localhost accp]# echo accp > index.html
[root@localhost accp]# cat index.html
accp
[root@localhost accp]# echo benet > /benet/index.html
[root@localhost accp]# cat /benet/index.html
benet
[root@localhost accp]#

3.配置7-2Web服务器

bash 复制代码
[root@localhost ~]# showmount -e 192.168.91.7#7-4的地址
Export list for 192.168.91.7:
/accp  *
/benet *
[root@localhost ~]# 

开启httpd服务:

挂载:

将共享文件夹accp,挂载到主站点目录下

代理服务器7-1curl访问本机7-2,查看共享结果:

4.配置7-3Web服务器:

挂载,开启httpd服务:

代理服务器7-1curl访问7-3,查看共享结果:

扩展:如果报错拒绝连接

解决方案:

端口号不对,去那个机器配置文件更改成80端口号

5.配置7-1代理服务器和网关:

配置ens36网卡:

看路由信息:

开启路由转发:

在此配置文件中添加:

查看:

bash 复制代码
[root@localhost network-scripts]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
[root@localhost network-scripts]# sysctl -a | grep ip_forward
net.ipv4.ip_forward = 1
net.ipv4.ip_forward_use_pmtu = 0

安装ipvsadm:

网络源安装:

bash 复制代码
yum install ipvsadm.x86_64 86_64 -y

搭建本地yum仓库安装:

bash 复制代码
[root@localhost network-scripts]# cd /etc/yum.repos.d
[root@localhost yum.repos.d]# mkdir bak
[root@localhost yum.repos.d]# mv *.repo bak/
[root@localhost yum.repos.d]# vim local.repo
 
 
[local]
name=local
baseurl=file:///mnt
gpgcheck=0
bash 复制代码
[root@localhost yum.repos.d]# mount /dev/sr0 /mnt/
mount: /dev/sr0 写保护,将以只读方式挂载
 
[root@localhost yum.repos.d]# yum clean all#清缓存
已加载插件:fastestmirror, langpacks
 
[root@localhost yum.repos.d]# yum makecache#建立元数据
已加载插件:fastestmirror, langpacks
元数据缓存已建立
 
[root@localhost yum.repos.d]# yum install ipvsadm.x86_64 -y#直接安装
已加载插件:fastestmirror, langpacks
Loading mirror speeds from cached hostfile

开启ipvsadm软件:

bash 复制代码
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

配置负载调度器ipvsadm:

bash 复制代码
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm -C#清空策略
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm -ln#查看策略
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
[root@localhost yum.repos.d]# 
 
###12.0.0.1为7-1,ens36网卡地址(网关)

6.配置网关:

修改7-1网关地址:

修改网卡自己就是网关

修改7-2网关地址:

修改7-3网关地址:

7.用代理服务器7-1curl查看结果:

实现轮询:

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