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。