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一、群集概述

1.1 群级的含义

Cluster，集群、群集

由多台主机构成，但对外只表现为一一个整体，只提供一-个访问入口(域名或IP地址)， 相当于一台大型计算机。

1.2 使用群集的原因

问题：

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的要求。

解决方法：

使用价格昂贵的小型机、大型机。（纵向扩容）

使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。（横向扩容）

LVS群集技术：

在企业中常用的一种群集技术一LVS （Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器）

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，并以同一个IP地址对外提供相同的服务。

1.3 群集的目的

提高性能：计算密集应用。如天气预报，核试验模拟。

降低成本：相对百万美元的超级计算机，价格便宜。

提高可扩展性：只要增加集群节点即可。

增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。

二、企业群集分类

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

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、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压力。例如，“DNS轮询”、“反向代理” 等。

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。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。例如，’云计算”、 “网格计算”等。

三、负载均衡群集

3.1 负载均衡群集架构

第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)负载均衡层

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) WEB应用层

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) 确保多台服务器使用的是相同的资源

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。）

3.2 负载均衡群集的工作模式

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（IP-TUN）

3、直接路由（DR模式）

通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR模式。

3.2.1 NAT模式（地址转换）

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。

缺点：由于NAT的负载均衡器既作为用户的访问请求入口，也作为节点服务器响应请求的出口，承载两个方向的压力，调度器的性能会成为整个集群的瓶颈。

3.2.2 TUN模式（IP隧道）

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。承载的压力比NAT小。

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。

缺点：成本很高。

这种模式一般应用于特殊场景，比如将节点服务器分布在全国各地，防止被物理攻击（如地震、战争等），做灾备。

3.2.3 DR模式（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，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。承载的压力比NAT小。

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。

四、LVS虚拟服务器

4.1 LVS虚拟服务器简介

Linux Virtual Server：

针对Linux内核开发的负载均衡

1998年5月，由我国的章文嵩博士创建

官方网站：www.linuxvirtualserver.org/

LVS实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用，为基于IP地址和内容请求分发的负载均衡提出来一种高效的解决方法

4.2 LVS相关术语

DS：Director Server。指的是前端负载均衡器。

RS：Real Server。节点服务器，后端真实的工作服务器。

VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。

DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。

RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。

CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

4.2 LVS的负载调度算法

4.2.1 固定调度算法：rr, wrr， dh，sh

rr：轮询算法（Round Robin）

将请求依次分配给不同的RS节点，即RS节点中均摊分配。适合于RS所有节点处理性能接近的情况。

将收到的访问请求安装顺序轮流分配给群集指定各节点（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。

wrr：加权轮询调度（Weighted Round Robin）

依据不同RS的权重值分配任务。权重值较高的RS将优先获得任务，并且分配到的连接数将比权值低的RS更多。相同权值的RS得到相同数目的连接数。

保证性能强的服务器承担更多的访问流量。

dh：目的地址哈希调度（destination hashing）

以目的地址为关键字查找一个静态hash表来获得所需RS。

sh：源地址哈希调度（source hashing）

以源地址为关键字查找–个静态hash表来获得需要的RS。

4.2.2 动态调度算法： wlc，lc，1blc

lc：最小连接数调度（ Least Connections）

ipvs表存储了所有活动的连接。LB会比较将连接请求发送到当前连接最少的RS。

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。

wlc：加权最小连接数调度（Weighted Least Connections）

假设各台RS的权值依次为Wi，当前tcp连接数依次为Ti，依次取Ti/Wi为最小的RS作为下一个分配的RS。

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。

lblc：基于地址的最小连接数调度(locality-based least-connection)

将来自同一个目的地址的请求分配给同一-台RS，此时这台服务器是尚未满负荷的。否则就将这个请求分配给连接数最小的RS，并以它作为下一次分配的首先考虑。

4.3 加载 ip_vs 通用模块

LVS现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调动。

在CentOS 7 系统中，手动加载 ip_vs 模块的命令如下：

 modprobe ip_vs     //手动加载 ip_vs 模块
 ​
 cat /proc/net/ip_vs    //查看当前系统中ip_vs模块的版本信息

4.4 加载 LVS 所有的负载调度算法

LVS 所有的负载调度算法文件在 /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/ 目录下：

 [root@localhost ipvs]# pwd
 /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs
 [root@localhost ipvs]# ls
 ip_vs_dh.ko.xz     ip_vs_lc.ko.xz      ip_vs_sh.ko.xz
 ip_vs_ftp.ko.xz    ip_vs_nq.ko.xz      ip_vs_wlc.ko.xz
 ip_vs.ko.xz        ip_vs_pe_sip.ko.xz  ip_vs_wrr.ko.xz
 ip_vs_lblc.ko.xz   ip_vs_rr.ko.xz
 ip_vs_lblcr.ko.xz  ip_vs_sed.ko.xz

加载所有的负载调度算法：

 [root@localhost ipvs]# ls | grep -o "^[^.]*"  //过滤出所有调度算法的名称
 ip_vs_dh
 ip_vs_ftp
 ip_vs
 ip_vs_lblc
 ip_vs_lblcr
 ip_vs_lc
 ip_vs_nq
 ip_vs_pe_sip
 ip_vs_rr
 ip_vs_sed
 ip_vs_sh
 ip_vs_wlc
 ip_vs_wrr
 [root@localhost ipvs]# for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)robe $i;done/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done
 ip_vs_dh
 ip_vs_ftp
 ip_vs
 ip_vs_lblc
 ip_vs_lblcr
 ip_vs_lc
 ip_vs_nq
 ip_vs_pe_sip
 ip_vs_rr
 ip_vs_sed
 ip_vs_sh
 ip_vs_wlc
 ip_vs_wrr

可以将加载调度算法的命令写入脚本中：

 #!/bin/bash
 a=$(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*")
 ​
 for i in $a
 do 
    echo $i
    #查看单个模块的详细信息
    /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 
    #加载算法模块
    /sbin/modprobe $i
 done

五、ipvsadm工具

ipvsadm是一个工具，同时它也是一条命令，用于管理LVS的策略规则。

ipvsadm是ipvs的管理器，需要yum安装。

ipvsadm工具的作用：

LVS群集创建与管理：

创建虚拟服务器

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

ipvsadm 命令选项说明：

六、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：

一台NFS服务器：192.168.192.10/24

两台WEB服务器：192.168.192.11/24 192.168.192.12/24

一台LVS负载调度服务器（2块网卡）：内网192.168.192.100/24（ens33），外网12.0.0.254/24（ens36）

6.1 部署NFS共享存储服务(NFS服务器：192.168.192.10/24)

 #1、关闭防火墙
 [root@localhost ~]# systemctl disable --now firewalld
 [root@localhost ~]# setenforce 0
 ​
 #2、安装nfs-utils、rpcbind软件包
 [root@localhost ~]# yum install nfs-utils rpcbind -y
 ​
 #3、新建共享目录，并创建站点文件
 [root@localhost ~]# mkdir /share/
 [root@localhost ~]# cd /share/
 [root@localhost share]# mkdir boy man
 [root@localhost share]# echo "zzq is a boy" > boy/index.html
 [root@localhost share]# echo "zzq is a man" > man/index.html
 ​
 #4、修改共享配置文件，设置共享策略
 [root@localhost share]# pwd
  /share
 [root@localhost share]# vim /etc/exports
 /share/boy  192.168.192.0/24
 /share/man  192.168.192.0/24
 ​
 #5、启动两个服务，查看本机的NFS共享目录
 [root@localhost share]# systemctl start rpcbind
 [root@localhost share]# systemctl start nfs
 [root@localhost share]# showmount -e        //查看本机发布的NFS共享目录

6.2 部署两台WEB服务器（节点服务器）

6.2.1第一台web服务器（192.168.192.11/24）

 #1、关闭防火墙
 [root@localhost ~]# systemctl stop firewalld
 [root@localhost ~]# setenforce 0
  
 #2、安装httpd
 [root@localhost ~]# yum install -y httpd
  
 #3、查看nfs服务器的共享信息
 [root@localhost ~]# showmount -e 192.168.192.10
 Export list for 192.168.192.10:
 /share/boy 192.168.192.0/24
 /share/man 192.168.192.0/24
 showmount -e 192.168.192.10
 ​
 #4、挂载站点。将NFS服务器的共享目录/share/boy/，挂载到httpd服务的根目录
 #法一：临时挂载
 [root@localhost ~]# mount 192.168.192.10:/share/boy/ /var/www/html
 [root@localhost ~]# df           //查看挂载是否成功
 [root@localhost ~]# cat /var/www/html/index.html   //查看站点文件
 zzq is a boy
 ​
 #法二：永久挂载
 vim /etc/fstab
 192.168.192.10:/share/boy/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 
 mount -a
    
 #5、指定网关，网关地址设置为负载调度器的内网地址
 [root@localhost ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 
 GATEWAY=192.168.192.100
 #DNS1=8.8.8.8
  
 #6、重启网络服务，开启httpd服务
 [root@localhost ~]# systemctl restart network
 [root@localhost ~]# systemctl start httpd

6.2.2第二台web服务器（192.168.192.12/24）

 #1、指定网关，网关地址设置为负载调度器的内网地址
 [root@localhost ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 
 GATEWAY=192.168.192.100
 #DNS1=8.8.8.8
 [root@localhost ~]# systemctl restart network
 ​
 #2、关闭防火墙
 [root@localhost ~]# systemctl stop firewalld
 [root@localhost ~]# setenforce 0
 ​
 #3、安装httpd
 [root@localhost ~]# yum install -y httpd
    
 #4、查看nfs服务器的共享信息
 [root@localhost ~]# showmount -e 192.168.192.10
 Export list for 192.168.192.10:
 /share/boy 192.168.192.0/24
 /share/man 192.168.192.0/24
 showmount -e 192.168.192.10
  
 5. #挂载NFS的共享目录
 #法一：临时挂载
 [root@localhost ~]# mount 192.168.192.10:/share/man/ /var/www/html
 [root@localhost ~]# df           //查看挂载是否成功
 [root@localhost ~]# cat /var/www/html/index.html
 zzq is a man
 ​
 #法二：永久挂载
 vim /etc/fstab
 192.168.192.10:/share/man/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 
 mount -a
    
 6. #开启httpd服务
 [root@localhost ~]# systemctl start httpd

6.3 部署LVS负载调度服务器

内网网卡：192.168.192.100（ens33） ，外网网卡：12.0.0.254（ens36）

 #1、添加一块网卡，我这里是ens36，配置网卡，重启网络
 [root@localhost ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
 [root@localhost network-scripts]# vim ifcfg-ens33
 #GATEWAY=192.168.192.2     //将网卡和DNS服务器地址注释掉
 #DNS1=8.8.8.8
 [root@localhost network-scripts]# cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
 [root@localhost network-scripts]# vim ifcfg-ens36
 IPADDR=12.0.0.254        //设置IP地址
 NETMASK=255.255.255.0
 #GATEWAY=192.168.192.2
 #DNS1=8.8.8.8
 [root@localhost network-scripts]# systemctl restart network
 ​
 #2、关闭防火墙
 [root@localhost ~]# systemctl stop firewalld
 [root@localhost ~]# setenforce 0
 ​
 #3、开启路由转发功能
 [root@localhost ~]# vim /etc/sysctl.conf
 net.ipv4.ip_forward = 1    //添加这一行
 [root@localhost ~]# sysctl -p          //读取修改后的配置
 net.ipv4.ip_forward = 1
 ​
 #4、配置SNAT策略（如果内网想主动连接外网的话，需要配置SNAT策略）
 [root@localhost ~]# iptables -t nat -F
 [root@localhost ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.192.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.254
 [root@localhost ~]# iptables -nL POSTROUTING -t nat
 ​
 #5、加载LVS内核模块
 [root@localhost ~]# modprobe ip_vs         //加载ip_vs模块
 [root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs    //查看ip_vs模块的版本
 #加载LVS所有调度算法
 [root@localhost ~]# for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done
 ​
 #6、安装ipvsadm管理工具，开启服务
 [root@localhost ~]# mount /dev/sr0 /mnt
 [root@localhost ~]# yum install -y ipvsadm
 #开启服务前必须保存负载分配策略，生成/etc/sysconfig/ipvsadm文件。如果该文件不存在，服务无法启动。
 [root@localhost ~]# ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm
 [root@localhost ~]# systemctl start ipvsadm.service
 ​
 #7、配置负载分配策略（NAT模式只需要在负载器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
 [root@localhost ~]# ipvsadm -C       //清空原有规则
 
 #指定指定VIP地址及TCP端口，-s rr 指定负载调度策略为轮询
 [root@localhost ~]# ipvsadm -A -t 12.0.0.254:80 -s rr
 
 #先指定虚拟服务器再添加真实服务器地址，-r指定真实服务器地址，-m指定nat模式。-w指定权重值，权重为1时可省略不写
 [root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 12.0.0.254:80 -r 192.168.192.11:80 -m -w 1  
 [root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 12.0.0.254:80 -r 192.168.192.12:80 -m -w 1
 [root@localhost ~]# ipvsadm     //查看策略
 IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
 Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
   -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
 TCP  localhost.localdomain:http rr
   -> 192.168.192.11:http           Masq    1      0          0
   -> 192.168.192.12:http           Masq    1      0          0
 [root@localhost ~]# ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadm   //保存负载分配策略
 [root@localhost ~]# ipvsadm -ln     //以数字形式查看策略，Masq表示NAT模式
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  12.0.0.254:80 rr
  -> 192.168.192.11:80             Masq    1      0          0
  -> 192.168.192.12:80             Masq    1      0          0

6.4 win10客户机访问测试

win10客户机，网关地址设置为负载调度器的外网IP。

浏览器访问负载调度器的外网IP地址12.0.0.254。