【云计算】利用 LVS 构建集群实现负载均衡 | 集群的概念 | 单服务器性能瓶颈验证例子 | LVS 基础

利用 LVS 构建集群实现负载均衡

LVS 是构建高性能、高可靠负载均衡集群的利器，其内核态转发机制和丰富的调度算法，使其成为大规模集群场景的首选方案。在实际应用中，需根据业务场景选择合适的工作模式（DR 模式为最优选择），并结合 Keepalived 实现高可用，最终解决单服务器的性能瓶颈问题。

Ⅰ. 集群（Cluster）基础

0x00 集群的概念

集群（Cluster），是一组相互独立且相互依赖、通过高速网络互联的计算机组成的计算机组，以单一模式加以管理，为用户提供统一服务。

从用户视角：感知不到背后的多台服务器，仅认为是一个单一服务节点。
从集群内部视角：每一台独立的计算机称为集群节点。

通过集群技术，能够以较低的硬件成本，换取性能、可靠性、灵活性 三方面的显著提升。而任务调度是整个集群系统的核心技术，负载均衡的本质就是一种任务调度策略。

0x01 集群的三大核心特性

你文中提到的"客观理性"属于笔误，集群的三大核心特性应为：

可伸缩性（Scalability）

当业务负载增长时，可通过横向添加节点 的方式扩展集群整体性能，无需替换高性能硬件，成本可控。

例如：单台服务器支持 1 万并发，扩展为 3 节点集群后，理论可支撑 3 万并发。
可靠性（Reliability）

集群中的节点互为备份，当某一节点故障时，其他节点可自动接管其任务，避免单点故障导致服务中断。

可靠性的核心指标是可用性（Availability），通常用"几个 9"衡量（如 99.99% 可用性代表全年停机时间不超过 52.56 分钟）。
可管理性（Manageability）

集群可通过统一的管理接口进行配置、监控、维护，管理员无需逐个操作节点，降低运维复杂度。

0x02 单服务器的性能瓶颈验证

场景假设：

单台服务器最大支撑 10000 个并发请求，此时所有请求返回状态码 200（正常响应）。
当并发量提升至 20000 时，返回状态码变为 200、304、301、500、504。

现象分析：

200：少量请求仍正常处理；
304：资源未修改，减少数据传输，但侧面反映服务器资源紧张；
301：可能是服务器重定向策略触发，规避过载节点；
500：服务器内部错误，代码或资源处理异常；
504：网关超时，服务器无法在规定时间内响应请求。

结论：该 Web 服务的单节点性能已达瓶颈，必须通过集群 + 负载均衡的方式扩展处理能力。

Ⅱ. LVS 核心技术解析

0x00 LVS 是什么

LVS（Linux Virtual Server）即Linux 虚拟服务器 ，是由章文嵩博士主导开发的开源负载均衡项目，工作在 OSI 七层模型的第 4 层（传输层），基于 IP 和端口实现负载均衡转发。

LVS 的核心优势：

高性能：基于 Linux 内核态实现，转发效率远超 Nginx 等用户态软件，可支撑每秒百万级并发。
高可靠：支持健康检查、故障自动切换，可部署为双主或主备模式。
开源免费：基于 Linux 内核，无需额外付费，运维成本低。

0x01 LVS 的核心组件

一个完整的 LVS 集群包含 3 类角色：

角色	英文名称	作用
负载均衡器	Director Server	接收用户请求，根据调度算法转发至后端真实服务器
真实服务器	Real Server	处理具体业务请求（如 Web、数据库服务）
共享存储	Shared Storage	为所有 Real Server 提供统一的文件存储（如 NFS、GlusterFS），保证数据一致性

0x02 LVS 的三种工作模式

LVS 支持三种转发模式，不同模式的网络拓扑和适用场景不同：

NAT 模式（网络地址转换）
- 原理：Director Server 作为网关，将用户请求的目标 IP 转换为 Real Server 的私有 IP；Real Server 处理完请求后，将响应通过 Director Server 转发给用户（源 IP 转换为 Director 的公网 IP）。
- 特点：Real Server 只需配置私有 IP，网关指向 Director Server；但 Director 是单点瓶颈，支持的节点数量有限（约 10-20 台）。
- 适用场景：小规模集群、Real Server 无公网 IP 的场景。
DR 模式（直接路由）
- 原理：Director Server 仅转发请求报文的目标 MAC 地址，不修改 IP 地址；Real Server 处理完请求后，直接将响应报文发送给用户（无需经过 Director）。
- 特点：性能最高，Director 仅负责转发，不处理响应；Real Server 需与 Director 在同一物理网段，且需配置 VIP（虚拟 IP）。
- 适用场景：中大规模集群、对性能要求高的场景（如电商秒杀）。
TUN 模式（IP 隧道）
- 原理：Director Server 将用户请求封装在 IP 隧道中，转发至 Real Server；Real Server 解封装后处理请求，直接响应给用户。
- 特点：Real Server 可跨网段部署，灵活性高；但需要服务器支持 IP 隧道协议（如 IPIP）。
- 适用场景：跨地域、跨网段的分布式集群。

0x03 LVS 的调度算法

调度算法是 LVS 的核心，决定了请求如何分配到后端 Real Server，分为静态算法 和动态算法两类：

静态算法（仅考虑配置，不考虑节点负载）
- 轮询（RR）：请求按顺序依次分配给每个 Real Server，适用于节点性能相近的场景。
- 加权轮询（WRR）：根据节点性能分配权重，权重越高的节点接收的请求越多（如性能高的节点权重设为 3，低的设为 1）。
- 源地址哈希（SH）：根据用户 IP 进行哈希计算，将同一 IP 的请求分配到同一节点，可保持会话粘性。
动态算法（根据节点实时负载调整分配策略）
- 最小连接数（LC）：优先将请求分配给当前连接数最少的节点，适用于长连接业务（如数据库连接）。
- 加权最小连接数（WLC）：在最小连接数基础上，结合节点权重，兼顾性能与负载。
- 最短预期延迟（SED） ：根据公式 (活跃连接数 + 1) / 权重 计算优先级，值越小的节点优先级越高。

Ⅲ. 利用 LVS 构建负载均衡集群的实操步骤

0x00 环境准备

角色	主机名	IP 地址	系统	需安装软件
Director Server	lvs-director	公网 IP：103.xx.xx.xx 内网 IP：192.168.1.100	CentOS 7/8	ipvsadm、keepalived（可选）
Real Server 1	lvs-rs-1	192.168.1.101	CentOS 7/8	httpd、nginx
Real Server 2	lvs-rs-2	192.168.1.102	CentOS 7/8	httpd、nginx

0x01 配置 Director Server

安装 ipvsadm 工具

ipvsadm 是 LVS 的管理工具，用于配置集群规则、查看节点状态。
bash 复制代码
```
yum install -y ipvsadm
```

开启 IP 转发（NAT 模式必备）

bash 复制代码

echo "net.ipv4.ip_forward = 1" >> /etc/sysctl.conf
sysctl -p

创建 LVS 集群规则（以 DR 模式为例）
bash 复制代码
```
# 清除原有规则
ipvsadm -C

# 添加 VIP（虚拟 IP）
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s rr

# 添加后端 Real Server
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.101:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 192.168.1.102:80 -g

# 保存规则
ipvsadm -S > /etc/sysconfig/ipvsadm
```
命令参数说明：
- -A：添加虚拟服务；
- -t：指定 TCP 协议和 VIP:端口；
- -s：指定调度算法（rr 为轮询）；
- -a：添加后端真实服务器；
- -r：指定 Real Server 的 IP:端口；
- -g：指定 DR 模式。

0x02 配置 Real Server

安装 Web 服务

bash 复制代码

yum install -y nginx
systemctl start nginx && systemctl enable nginx

配置 VIP 回环地址（DR 模式必备）

为了让 Real Server 能够接收 VIP 转发的请求，需要在回环网卡配置 VIP：

bash 复制代码

# 临时配置
ifconfig lo:0 192.168.1.100 netmask 255.255.255.255 up

# 永久配置（写入 /etc/rc.local）
echo "ifconfig lo:0 192.168.1.100 netmask 255.255.255.255 up" >> /etc/rc.local
chmod +x /etc/rc.d/rc.local

关闭 ARP 响应（避免 VIP 冲突）

bash 复制代码

echo "net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2" >> /etc/sysctl.conf
sysctl -p

0x03 验证集群效果

在 Director Server 查看集群状态
bash 复制代码
```
ipvsadm -ln
```
正常输出会显示 VIP:80 下挂载的两个 Real Server，以及当前连接数。
用户端访问测试

在浏览器或客户端多次访问 http://192.168.1.100，观察请求是否会轮询转发到两台 Real Server。

可通过修改 Real Server 的 Nginx 默认页面内容，来直观验证负载均衡效果。

Ⅳ. 高可用优化：LVS + Keepalived

单台 Director Server 仍存在单点故障风险，可通过 Keepalived 实现双 Director 主备模式，提升集群高可用性。

工作原理：Keepalived 基于 VRRP（虚拟路由冗余协议），主 Director 持有 VIP，备 Director 监听主节点状态；当主节点故障时，备节点自动接管 VIP，实现无缝切换。
核心配置：在两台 Director Server 上安装 Keepalived，配置主备角色、VIP、健康检查脚本等。

Ⅴ. 常见问题与解决方案

问题现象	可能原因	解决方案
访问 VIP 无响应	1. 防火墙未开放 80 端口 2. Real Server 未配置 VIP 回环地址	1. 关闭防火墙或开放端口：`firewall-cmd --permanent --add-port=80/tcp && firewall-cmd --reload` 2. 检查 lo:0 网卡配置
负载均衡不均	1. 调度算法选择不当 2. 节点权重配置不合理	1. 长连接业务改用 LC 算法 2. 根据节点性能调整权重
节点故障未切换	1. 未配置健康检查 2. Keepalived 检测间隔过长	1. 在 ipvsadm 中配置健康检查脚本 2. 调整 Keepalived 的 `interval` 参数

【云计算】利用 LVS 构建集群实现负载均衡 | 集群的概念 | 单服务器性能瓶颈验证例子 | LVS 基础 | LVS 构建负载均衡集群实操步骤

利用 LVS 构建集群实现负载均衡

Ⅰ. 集群（Cluster）基础

0x00 集群的概念

0x01 集群的三大核心特性

0x02 单服务器的性能瓶颈验证

Ⅱ. LVS 核心技术解析

0x00 LVS 是什么

0x01 LVS 的核心组件

0x02 LVS 的三种工作模式

0x03 LVS 的调度算法

Ⅲ. 利用 LVS 构建负载均衡集群的实操步骤

0x00 环境准备

0x01 配置 Director Server

0x02 配置 Real Server

0x03 验证集群效果

Ⅳ. 高可用优化：LVS + Keepalived

Ⅴ. 常见问题与解决方案