LVS负载均衡群集详解

此博文包含以下内容：
1、 群集类型
2、负载均衡的分层结构
3、负载均衡的工作模式
4、LVS的负载调度算法
5、LVS相关的基础命令
6、使用ipvsadm管理工具
7、搭建NFS共享存储服务器

根据生产环境的不同，群集所提供的功能也各不相同，采用的技术细节也可能各有千秋。关于群集技术的相关概念如下：

1、 群集类型

无论是哪种群集，都至少包括两台节点服务器，而对外表现为一个整体，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。根据群集所针对的目标差异，可以分为以下三种类型：

• 负载均衡群集（LB）：以提高应用系统的响应能力、尽可能处理更多的访问请求、较少延迟为目的，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”等都可用做负载均衡群集。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（HA）：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。双工就是所有节点同时在线；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，和Cisco路由器的HSRP原理类似。

• 高性能运算群集（HPC）：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”也可以当成HPC的一种。HPC群集的高性能依赖于“分布式计算” “并行计算”，通过专用硬件和软件将多台服务器的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。

不同类型的群集可以根据实际需求进行合并，如高可用的负载均衡群集。

2、负载均衡的分层结构

上图是一个典型的负载均衡群集，共三层，每层的作用如下：

• 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（虚拟IP）地址，也称为群集IP。通常会配置主、备两台调度器实现热备份。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（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，负载调度器的容错机制会将其隔离，等待错误排除后在将其重新纳入服务器池。

• 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（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
.

• 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，但负载调度器的压力较大。

• 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，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。

• DR模式：采用半开放的网络结构，与TUN模式的结构类似，但各节点不是分散在各地的，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。

LVS是针对Linux内核开发的一个负载均衡项目，官网是：http://www.linuxvirtualserver.org/ 可以进入官网查阅相关的技术文档。LVS现在已经成为Linux内核的一部分，默认编译为ip_vs模块，必要时能够自动调用。

4、LVS的负载调度算法

轮询（rr）：将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点（真实服务器），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（wrr）：根据真实服务器的处理能力轮流分配收到的访问请求，调度器可以自动查询个节点的负载情况，并动态调整其权重。这样可以保证处理能力强的服务器承担更多的访问流量。

最少连接（lc）：根据真实服务器已建立的连接数进行分配，将受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（wlc）：在服务器节点的性能差异较大的情况下，可以为真实服务器自动调整权重，权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载。

5、LVS相关的基础命令

默认ip_vs模块没有加载，可以执行如下命令加载ip_vs模块：

[root@localhost ~]# modprobe ip_vs                 #加载ip_vs模块
[root@localhost ~]# lsmod | grep ip_vs             #查看ip_vs模块是否已加载
ip_vs                 141432  0
nf_conntrack          133053  8 ip_vs,nf_nat,nf_nat_ipv4,......
libcrc32c              12644  4 xfs,ip_vs,nf_nat,nf_conntrack
[root@localhost ~]# modprobe -r ip_vs             #移除ip_vs模块
[root@localhost ~]# lsmod | grep ip_vs
[root@localhost ~]# modprobe ip_vs
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs            #查看ip_vs版本信息
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn

6、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。

[root@localhost ~]# yum -y install ipvsadm               #安装ipvsadm工具
[root@localhost ~]# ipvsadm -v                                 #查看ipvsadm版本
ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)

1）使用ipvsadm工具创建虚拟服务器：

若群集的VIP地址为200.0.0.1，针对TCP 80端口提供负载分流服务，使用的调度算法为轮询（rr），则对应的命令如下，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：

[root@localhost ~]# ipvsadm -A -t 200.0.0.1:80 -s rr

<!--以上命令中，选项-A表示添加虚拟服务器，-t用来指定虚拟VIP地址和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）。
若希望使用保持连接，还需要添加“-p 60”选项，其中60为保持时间（单位为s）-->

2)添加服务器节点：

为虚拟服务器200.0.0.1添加四个服务器节点，IP地址依次为192.168.1.2~5，命令如下：

[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 200.0.0.1:80 -r 192.168.1.2:80 -m -w 1
[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 200.0.0.1:80 -r 192.168.1.3:80 -m -w 1
[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 200.0.0.1:80 -r 192.168.1.4:80 -m -w 1
[root@localhost ~]# ipvsadm -a -t 200.0.0.1:80 -r 192.168.1.5:80 -m -w 1
<!--以上命令中，选项-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（真实IP）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）。-->

[root@localhost ~]# 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  200.0.0.1:80 rr
-> 192.168.1.2:80               Masq    1      0          0
-> 192.168.1.3:80               Masq    1      0          0
-> 192.168.1.4:80               Masq    1      0          0
-> 192.168.1.5:80               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。-->

3）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，如下操作将会删除LVS群集200.0.0.1中的节点192.168.1.5。

[root@localhost ~]# ipvsadm -d -r 192.168.1.5:80 -t 200.0.0.1:80

需要删除整个虚拟服务器时，使用选项-D并指定虚拟IP即可，不需指定节点。例如执行“ipvsadm -D -t 200.0.0.1:80”，则删除此虚拟服务器。

4）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（服务器重启后策略需要重新导入）。

[root@localhost ~]# hostname lvs         #更改主机名
<!--若主机名为默认的localhost，在导出策略时，VIP地址将会自动转为127.0.0.1，
若是这样，再次导入后，将会导致负载服务器无法正常工作。-->
[root@localhost ~]# bash                 #使更改的主机名马上生效
[root@lvs ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm.bak                 #保存策略
[root@lvs ~]# cat /etc/sysconfig/ipvsadm.bak                          #确认保存结果
-A -t 200.0.0.1:http -s rr
-a -t 200.0.0.1:http -r 192.168.1.2:http -m -w 1
-a -t 200.0.0.1:http -r 192.168.1.3:http -m -w 1
-a -t 200.0.0.1:http -r 192.168.1.4:http -m -w 1
[root@localhost ~]# ipvsadm -C                  #清除当前策略
[root@localhost ~]# ipvsadm -ln                  #确认当前群集策略已被清除
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
[root@localhost ~]# ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm.bak     #导入刚才备份的策略
[root@localhost ~]# ipvsadm -ln              #查看群集策略是否导入成功
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  200.0.0.1:80 rr
-> 192.168.1.2:80               Masq    1      0          0
-> 192.168.1.3:80               Masq    1      0          0
-> 192.168.1.4:80               Masq    1      0          0

7、搭建NFS共享存储服务器

NFS是一种基于TCP/IP传输的网络文件系统协议，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。

使用NFS发布共享资源：

1）安装相关软件包：

[root@localhost ~]# yum -y install nfs-utils rpcbind                 #安装所需软件包
[root@localhost ~]# systemctl enable nfs                               #设置NFS开机自启
[root@localhost ~]# systemctl enable rpcbind                       #设置rpcbind开机自启

2）设置共享目录：

[root@localhost ~]# mkdir -p /opt/wwwroot                           #创建需要共享的目录
[root@localhost ~]# vim /etc/exports                         #编辑NFS的配置文件，默认为空

/opt/wwwroot  192.168.1.0/24(rw,sync,no_root_squash)

<!--上述配置中“192.168.1.0/24”表示允许访问的客户机地址，
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，因为在客户机挂载该共享目录后，若向该目录中写入什么东西的话，
会先保存在自己的缓存中，而不会写入到共享目录中，加上sync则不会存在自己的缓存，
直接保存到共享目录中；
no_root_squash表示当前客户机以root身份访问时赋予本地root权限
（默认是root_squash，将作为nfsnobody用户对待），若不加no_root_squash，
可能会导致被降权，而无法进行读写（wr）-->

当需要将同一个目录共享给不同的客户机，且分配不同权限时，只要用空格分隔指定多个“客户机（权限选项）”即可。如下：

[root@localhost ~]# vim /etc/exports
/var/ftp/pub  192.168.2.1(ro,sync) 192.168.2.3(rw,sync)

3）重载NFS服务程序：

[root@localhost ~]# systemctl restart rpcbind
[root@localhost ~]# systemctl restart nfs
[root@localhost ~]# netstat -anpt | grep rpc
tcp        0      0 0.0.0.0:43759         0.0.0.0:*      LISTEN      76336/rpc.statd
tcp        0      0 0.0.0.0:111           0.0.0.0:*       LISTEN      76307/rpcbind
tcp        0      0 0.0.0.0:20048       0.0.0.0:*     LISTEN      76350/rpc.mountd
tcp6       0      0 :::111                  :::*          LISTEN      76307/rpcbind
tcp6       0      0 :::20048                :::*         LISTEN      76350/rpc.mountd
tcp6       0      0 :::38355                :::*         LISTEN      76336/rpc.statd
[root@localhost ~]# showmount -e                      #查看本机发布的NFS共享目录
Export list for localhost.localdomain:
/opt/wwwroot 192.168.1.0/24
/var/ftp/pub 192.168.2.3,192.168.2.1

4）在客户端访问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，NFS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，为了使用showmount查询工具，所以将nfs-utils也一起装上：

[root@localhost ~]# yum -y install nfs-utils rpcbind
[root@localhost ~]# systemctl enable rpcbind
[root@localhost ~]# systemctl start rpcbind

2.查询NFS服务器端共享了哪些目录：

[root@localhost ~]# showmount -e 192.168.1.1               #需指定要查询的服务器地址
Export list for 192.168.1.1:
/opt/wwwroot 192.168.1.0/24
/var/ftp/pub 192.168.2.3,192.168.2.1

3.手动挂载NFS共享目录，并设置开机自动挂载：

[root@localhost ~]# mount 192.168.1.1:/opt/wwwroot /var/www/html      #挂载到本地
[root@localhost ~]# df -hT /var/www/html                     #查看是否挂载成功
文件系统                 类型  容量  已用  可用 已用% 挂载点
192.168.1.1:/opt/wwwroot nfs4   17G  6.2G   11G   37% /var/www/html
[root@localhost ~]# vim /etc/fstab                #设置自动挂载
.........................
192.168.1.1:/opt/wwwroot    /var/www/html     nfs     defaults,_netdev    0    0
<!--文件系统为nfs，挂载参数添加_netdev（设备需要网络）-->

完成挂载后，访问客户机的/var/www/html文件夹，就相当于访问NFS服务器中的/opt/wwwroot文件夹，其中网络映射过程对于用户程序来说是完全透明的。