LVS 负载均衡群集

负载均衡群集(Load Balance Cluster)：以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、高负载的整体性能。例如，"DNS 轮询""应用层交换""反向代理"等都可用作负载均衡群集。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。

高可用群集(High Availability Cluster)：以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。例如，"故障切换""双机热备""多机热备"等都属于高可用群集技术。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。

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。例如，"云计算""网格计算"也可视为高性能运算的一种。高性能运算群集的高性能依赖于"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。

不同类型的群集在必要时可以合并，如高可用的负载均衡群集。

（2）负载均衡的分层结构

在典型的负载均衡群集中，包括三个层次的组件。前端至少有一个负载调度器(Load Balancer，或称为 Director)负责响应并分发来自客户机的访问请求;后端由大量真实服务器(Real Server)构成服务器池(ServerPoo1)，提供实际的应用服务，整个群集的伸缩性通过增加、删除服务器节点来完成，而这些过程对客户机是透明的;为了保持服务的一致性，所有节点使用共享存储设备。

第一层，负载调度器：这是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(Virtual IP，虚拟 IP)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：群集所提供的应用服务(如HTTP、FTP)由服务器池承担，其中每个节点具有独立的RIP(RealIP，真实 IP)地址，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。在Linux/UNIX环境中,共享存储可以使用 NAS 设备，或者提供NFS(NetworkFileSystem，网络文件系统)共享服务的专用服务器。

（3）负载均衡的工作模式

关于群集的负载调度技术，可以基于 IP、端口、内容等进行分发，其中基于IP的负载调度是效率最高的。基于IP的负载均衡模式中，常见的有地址转换、IP 隧道和直接路由三种工作模式。

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。

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,各节点通过各白的 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。

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。

以上三种工作模式中，NAT 方式只需要一个公网 IP 地址，从而成为最易用的一种负载均衡模式,安全性也比较好,许多硬件负载均衡设备就采用这种方式。相比较而言，DR 模式和 TUN 模式的负载能力更加强大，适用范围更广，但节点的安全性要稍差一些。

2、LVS虚拟服务器

（1）LVS 的负载调度算法

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，均等地对待每台服务器，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并且分配的请求越多,这样可以保证性能高的节点承担更多请求。

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。如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好地均衡负载。

加权最少连接(Weighted Least Connections)：在服务器节点的性能差异较大的情况下，调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重，权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载。

（2）使用ipvsadm 管理工具

ipvsadm 是在负载调度器上使用的 LVS 群集管理工具，通过调用 ip_vs 模块来添加、删除服务器节点，以及查看群集的运行状态。在 OpenEuler 系统中，需要手动安装 ipvsadm 软件包。

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[root@bogon ~]# dnf -y install ipvsadm

[root@bogon ~]# ipvsadm -v
ipvsadm v1.31 2019/12/24 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)

LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、删除服务器节点和保存负载分配策略。下面分别展示使用 ipvsadm 命令的操作方法。

1.创建虚拟服务器

若群集的 VIP 地址为 172.16.16.172，针对 TCP 80 端口提供负载分流服务，使用的调度算法为轮询，则对应的ipvsadm 命令操作如下所示。对于负载均衡调度器来说，VIP 必须是本机实际已启用的IP地址。

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[root@bogon ~]# ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s rr

上述操作中，选项-A 表示添加虚拟服务器，-t 用来指定 VIP 地址及 TCP 端口，-s用来指定负载调度算法------轮询(rr)、加权轮询(wrr)、最少连接(lc)、加权最少连接(wlc)。

2.添加服务器节点

为虚拟服务器 172.16.16.172添加四个服务器节点，IP 地址依次为192.168.7.21~24，对应的ipvsadm 命令操作如下所示。若希望使用保持连接，还应添加"-p 60"选项，其中60 为保持时间(单位为 s)。

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ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.21:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.22:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.23:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.7.24:80 -m- w 1

-a 表示添加真实服务器;

-t 用来指定 VIP 地址及 TCP 端口。

-r 用来指定 RIP 地址及 TCP 端口。

-m 表示使用 NAT 群集模式(-g DR 模式和-i TUN 模式)。

-w 用来设置权重(权重为0时表示暂停节点)。

3.查看群集节点状态

结合选项-l 可以列表查看LVS虚拟服务器，可以指定只查看某一个 VIP 地址(默认为查看所有)，结合选项-n将以数字形式显示地址、端口等信息。

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ipvsadm -ln
    #查看节点状态

IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  172.16.16.172:80 wrr
  -> 192.168.7.21:80            Masq    1      0          0         
  -> 192.168.7.22:80            Masq    1      0          0    
  -> 192.168.7.23:80            Masq    1      0          0 
  -> 192.168.7.24:80            Masq    1      0          0

上述输出结果中，Forward 列下的 Masq 对应 Masquerade(地址伪装)，表示采用的群集模式为 NAT。如果是 Route，则表示采用的群集模式为 DR。

4.删除服务器节点

需要从服务器池中删除某一个节点时，使用选项-d。执行删除操作必须指定目标对象，包括节点地址、虚拟IP地址。例如，以下操作将会删除LVS 群集172.16.16.172 中的节点 192.168.7.24。

复制代码

ipvsadm -d -r 192.168.7.24:80 -t 172.16.16.172:80

需要删除整个虚拟服务器时，使用选项-D并指定虚拟IP地址即可，无须指定节点。例如，若执行"ipvsadm -D -t 172.16.16.172:80"，则删除此虚拟服务器。

5.保存负载分配策略

使用导出/导入工具 ipvsadm-save/ipvsadm-restore 可以保存、恢复 LVS 策略。当然也可以快速清除、重建负载分配策略。

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ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm    #保存策略
cat /etc/sysconfig/ipvsadm    #确认保存结果
-A -t 172.16.16.172:http -s rr
-a -t 172.16.16.172:http -r 192.168.7.21:http -m -w 1
-a -t 172.16.16.172:http -r 192.168.7.22:http -m -w 1
-a -t 172.16.16.172:http -r 192.168.7.23:http -m -w 1


systemctl stop ipvsadm    #停止服务(清除策略)
systemctl start ipvsadm    #启动服务(重建规则)

3、NFS 共享存储服务

NFS 是一种基于 TCP/IP 传输的网络文件系统协议，最初由Sun 公司开发。通过使用 NFS协议，客户机可以像访问本地目录一样访问远程服务器中的共享资源。对于大多数负载均衡群集来说，使用NFS协议来共享数据存储是比较常见的做法，NFS也是NAS存储设备必然支持的一种协议。

下面将学习 NFS 共享服务的基本配置和访问方法。

（1）使用NFS 发布共享资源

NFS 服务的实现依赖于 RPC(Remote Process Call，远端过程调用)机制以完成远程到本地的映射过程。在 0penEuler 系统中，需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供NFS共享服务，前者用于NFS共享发布和访问，后者用于 RPC 支持。

1.安装nfs-utils、rpcbind 软件包

提供 RPC 支持的服务为 rpcbind，提供 NFS 共享的服务为 nfs，完成安装以后建议调整这两个服务的自启动状态，以便每次开机后自动启用。手动加载NFS 共享服务时，应该先启动rpcbind，再启动nfs。

复制代码

yum -y install nfs-utils rpcbind
systemctl enable nfs-server
systemctl enable rpcbind

2.设置共享目录

NFS 的配置文件为/etc/exports，文件内容默认为空(无任何共享)。在exports 文件中设置共享资源时,记录格式为"目录位置客户机地址(权限选项)"。例如，若要将文件夹/opt/wwwroot 共享给192.168.10.0/24 网段使用，允许读写操作，具体配置如下所示。

复制代码

mkdir -p /opt/wwwroot
vim /etc/exports
/opt/wwwroot 192.168.10.0/24(rw,sync,no_root_squash)

其中客户机地址可以是主机名、IP地址、网段地址，允许使用*、?通配符；权限选项中的 rw 表示允许读写(ro为只读)，sync表示同步写入，no_root_squash 表示当客户机以 root 身份访问时赋予本地 root 权限(默认是 root squash，将作为 nfsnobody 用户降权对待)。

当需要将同一个目录共享给不同的客户机，且分配不同的权限时，只要以空格分隔指定多个"客户机(权限选项)"即可。例如，以下操作将/var/ftp/public目录共享给两个客户机，并分别给予只读、读写权限。

复制代码

vim /etc/pxports
/var/ftp/public 192.168.10.101(ro) 192.168.10.102(rw)

3.启动NFS服务程序

复制代码

systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
netstat -anpt | grep rpcbind
tcp        0      0 0.0.0.0:111             0.0.0.0:*               LISTEN      2061/rpcbind        
tcp6       0      0 :::111                  :::*                    LISTEN      2061/rpcbind

4.查看本机发布的NFS 共享目录

复制代码

showmount -e
Export list for bogon:
/opt/wwwroot 192.168.10.0/24

（2）在客户机中访问NFS 共享资源

NFS协议的目标是提供一种网络文件系统，因此对NFS共享的访问也使用mount 命令来进行挂载，对应的文件系统类型为 nfs。既可以手动挂载，也可以加入/etc/fstab 配置文件来实现开机自动挂载。考虑到群集系统中的网络稳定性，NES服务器与客户机之间最好使用专有网络进行连接。

1.安装rpcbind 软件包，并启动rpcbind 服务

若要正常访问 NFS共享资源，客户机中也需要安装rpcbind软件包，并启动rpcbind 系统服务。另外,为了使用 showmount 查询工具,建议将 nfs-utils 软件包也一并装上。

复制代码

dnf -y install rpcbind nfs-utils
systemctl enable rpcbind
systemctl start rpcbind

如果已经安装了 nfs-utils 软件包，则客户机也可以使用 showmount 查看NFS 服务器端共享了哪些目录，查询格式为"showmount -e 服务器地址"。

复制代码

showmount -e 1922.168.10.104

2.手动挂载NFS 共享目录

以 root 用户身份执行 mount 操作，将 NFS 服务器共享的/opt/wwwroot目录挂载到本地目录/var/www/html。

复制代码

mount 192.168.10.104:/opt/wwwroot /var/www/html/

tail -l /etc/mtab     #确认挂载结果
192.168.10.104:/opt/wwwroot /var/www/html nfs4 rw,relatime,vers=4.2,rsize=524288,wsize=524288,namlen=255,hard,proto=tcp,timeo=600,retrans=2,sec=sys,clientaddr=192.168.10.102,local_lock=none,addr=192.168.10.104 0 0

vim /var/www/html/index.html    #在客户机创建测试文件
test1111

完成挂载以后，访问客户机的/var/www/html 文件夹，实际上就相当于访问NFS 服务器中的/opt/wwwroot 文件夹，其中的网络映射过程对于用户程序来说是透明的。例如，上述操作中创建的 index.html 测试文件，会立刻出现在服务器的/opt/wwwroot/目录下。

二、案例：地址转换模式（LVS-NAT）

本文将以构建 LVS 负载均衡群集为例，介绍 LVS-NAT 群集模式的案例。为了便于理解，案例结构针对实际应用有所简化。另外，关于基本网络参数、NFS共享存储的配置方法将不再讲述。

1、准备案例环境

在 NAT模式的群集中，LVS 负载调度器是所有节点访问Internet 的网关服务器,其外网地址 172.16.16.172 同时也作为整个群集的 VIP 地址。LVS 调度器具有两块网卡，分别连接内外网，如图所示。

|-----------|-----------------|----------------|----------------------|
| 主机 | 操作系统 | IP地址 | 应用 |
| lvs（101） | openEuler 24.03 | 192.168.10.101 | ipvsadm |
| web1（102） | openEuler 24.03 | 192.168.10.102 | httpd、nfs、bind-utils |
| web2（103） | openEuler 24.03 | 192.168.10.103 | httpd、nfs、bind-utils |
| nfs（104） | openEuler 24.03 | 192.168.10.104 | nfs、bind-utils |

2、配置负载调度器

（1）开启路由转发规则

复制代码

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_forward = 1

[root@bogon ~]# sysctl -p

net.ipv4.ip_forward = 1

（2）在lvs 服务新增一块网卡，仅主机模式，作为vip(集群ip，模拟外网ip)使用

复制代码

vim ifcfg-ens224

NAME=ens224
DEVICE=ens224
IPADDR=172.16.16.172
#GATEWAY=192.168.10.254
#DNS1=114.144.114.144
#DNS2=8.8.8.8

nmcli c reload
nmcli c up ens224

（3）配置负载分配策略

复制代码

ipvsadm -C     #清除原有策略

ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s wrr
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.10.102:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 172.16.16.172:80 -r 192.168.10.103:80 -m -w 2

[root@bogon ~]# ipvsadm --save    #保存策略
-A -t bogon:http -s wrr
-a -t bogon:http -r bogon:http -m -w 1
-a -t bogon:http -r bogon:http -m -w 2
[root@bogon ~]# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  172.16.16.172:80 wrr
  -> 192.168.10.102:80            Masq    1      0          0         
  -> 192.168.10.103:80            Masq    2      0          0

3、配置节点服务器（102/103）

所有的节点服务器均使用相同的配置，包括 httpd 服务端口、网站文档内容。实际上各节点的网站文档可存放在共享存储设备中，从而免去同步的过程。但在案例调试阶段可以为各节点采用不同的网页，以便测试负载均衡效果。

（1）安装httpd，创建测试网页

复制代码

dnf -y install httpd
mount 192.168.10.10.104:/opt/wwwroot /var/www/html

实验时可在不同节点配置不同网页内容测试 LVS，最后在使用 NFS 共享存储统一页面。

复制代码

vim /var/www/html/index.html
benet

注意：节点服务器的网关必须指向LVS调度器

（2）修改节点服务器的网关，指向lvs 调度器的192.168.10.101(也就是模拟的内网网卡)

复制代码

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens160

GATEWAY=192.168.10.101

（3）启动httpd服务程序

复制代码

systemctl start httpd
systemctl enable httpd

4、测试LVS群集

使用宿主机，从Internet 中直接访问 http://172.16.16.172，将能够看到由真实服务器提供的网页内容------如果各节点的网页不同,则不同客户机看到的网页可能也不一样(可以多刷新几次)。

在LVS负载调度器中，通过查看节点状态可以观察当前的负载分配情况，对于轮询算法来说，每个节点所获得的连接负载应大致相当。

复制代码

[root@bogon ~]# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  172.16.16.172:80 wrr
  -> 192.168.10.102:80            Masq    1      0          0         
  -> 192.168.10.103:80            Masq    2      0          0       


[root@bogon ~]# ipvsadm -lnc    #可以查看客户端访问详细欣喜及状态，便于排查问题
IPVS connection entries
pro expire state       source             virtual            destination