LVS负载均衡群集—–NAT模式实操

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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



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。)

在这里插入图片描述



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。

在这里插入图片描述



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。

在这里插入图片描述



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。

在这里插入图片描述



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

在这里插入图片描述



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

在这里插入图片描述

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:

在这里插入图片描述



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

在这里插入图片描述

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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

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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

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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

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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。

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