LVS 负载均衡群集
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一 .LVS群集应用基础
1.群集技术概述
1.1群集的类型
1.2负载均衡的分层结构
1.3负载均衡的工作模
2. LVS 虚拟服务器
2.1 LVS的负载调度算法
2.2使用 ipvsadm 管理工具
(1)创建虚拟服务器若群集的 VIP 地址为 172.16.16.172,针对 TCP 80 端口提供负载分流服务,使用的调度算法为轮询,则对应的ipvsadm命令操作如下所示。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。
(2)添加服务器节点为虚拟服务器 172.16.16.172 添加四个服务器节点,IP地址依次为192.168.7.21~24,对应的 ipvsadm 命令操作如下所示。若希望使用保持连接,还应添加“-p 60”选项,其中60为保持时间(单位为s)。
(3)查看群集节点状态结合选项-1 可以列表查看 LVS 虚拟服务器,可以指定只查看某一个 VIP 地址(默认为查看所有),结合选项-n 将以数字形式显示地址、端口等信息。
(4)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,以下操作将会删除 LVS 群集172.16.16.172 中的节点192.168.7.24
(5)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。当然也可以快速清除、重建负载分配策略。
3. NFS 共享存储服务
3.1 使用NFS发送共享资源
(1)安装 nfs-utils、rpcbind 软件包提供 RPC 支持的服务为 rpcbind,提供NFS共享的服务为 nfs,完成安装以后建议调整这两个服务的自启动状态,以便每次开机后自动启用。手动加载NFS 共享服务时,应该先启动 rpcbind,再启动 nfs。
(2)设置共享目录NFS 的配置文件为/etc/exports,文件内容默认为空(无任何共享)。在exports 文件中设置共享资源时,记录格式为“目录位置客户机地址(权限选项)”。列如,若要将文件夹/opt/wwwroot 共享给 192.168.10.0/24 网段使用,允许读写操作,具体配置如下所示。
（3）启动NFS 服务程序
3.2 在客户机访问NFS 共享资源
(1)安装 rpcbind 软件包,并启动 rpcbind 服务。若要正常访问 NFS 共享资源,客户机中也需要安装rpcbind 软件包,并启动rpcbind系统服务。另外,为了使用 showmount 查询工具,建议将 nfs-utils 软件包也一并装上。
(2)手动挂载NFS共享目录
（3）fstab 自动挂载设置
二 案例：地址转换模式
1.配置负载调度器
(1)开启路由转发规则
(2)在1vs服务新增一块网卡,仅主机模式,作为vip(集群ip,模拟外网ip)使用
(3)配置负载分配策略
3.配置节点服务器
(1)修改节点服务器的网关,指向1vs调度器的192.168.10.101(也就是模拟的内网网卡)
(2)安装 httpd,创建测试网页
(3)启用 httpd 服务程序。
4.测试 LVS 群集
一 LVS 群集应用基础
群集的称呼来自于英文单词“Cluster”,表示一群、一串的意思,用在服务器领域则表示大量服务器的集合体,以区分于单个服务器。本节将对群集的结构、工作模式、LVS 虚拟应用,以及NFS共享存储介绍及使用。
1.群集技术概述
根据实际企业环境的不同,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。然而从整体上来看,需要先了解一些关于群集的共性特征,才能在构建和维护群集的工作中做到心中有数,避免操作上的盲目性。
1.1群集的类型
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。根据群集所针对的目标差异,可分为以下三种类型。
负载均衡群集(Load Balance Cluster):以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、高负载的整体性能。
例如,“DNS轮询”“应用层交换”“反向代理”等都可用作负载均衡群集。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(High Availability Cluster):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。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。例如,“云计算”“网格计算”也可视为高
性能运算的一种。高性能运算群集的高性能依赖于“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。
不同类型的群集在必要时可以合并,如高可用的负载均衡群集。本章到第3章将依次讲解 LVS 负载均衡群集、高可用软件 Keepalived,以及两者的结合使用
1.2负载均衡的分层结构
在典型的负载均衡群集中,包括三个层次的组件,如图1.1 所示。前端至少有一个负载调度器(Load Balancer,或称为Director)负责响应并分发来自客户机的访问请求;后端由大量真实服务器(Real Server)构成服务器池(ServerPool),提供实际的应用服务,整个群集的伸缩性通过增加、删除服务器节点来完成,而这些过程对客户机是透明的;为了保持服务的一致性,所有节点使用共享存储设备。
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(Virtual IP,虚拟 IP)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: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(Real IP,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: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(Network File System,网络文件系统)共享服务的专用服
务器。
1.3负载均衡的工作模
关于群集的负载调度技术,可以基于 IP、端口、内容等进行分发,其中基于IP的负载调度是效率最高的。基于 IP的负载均衡模式中,常见的有地址转换、IP隧道和直接路由三种工作模式,如图1.2 所示。
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。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。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。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,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。
以上三种工作模式中,NAT 方式只需要一个公网 IP 地址,从而成为最易用的一种负载均衡模式,安性也比较好,许多硬件负载均衡设备就采用这种方式。相比较而言,DR 模式和 TUN 模式的负载能更加强大,适用范围更广,但节点的安全性要稍差一些。
2. LVS 虚拟服务器
Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目,由我国的章文嵩博士在 1998年5月创建,官方站点位于http://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了一种高效的解决方法。
LVS 现在已成为 Linux 内核的一部分,默认编译为 ip_vs模块,必要时能够自动调用。在CentOS 7 系统中,以下操作可以手动加载 ip_vs 模块,并查看当前系统中 ip_vs模块的版本信息。
[root@localhost test]# modprobe ip_vs
[root@localhost test]# cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
下面将介绍 LVS 所支持的主要负载调度算法,以及在LVS 负载均衡调度器上如何使用ipvsadm 管理工具。
2.1 LVS的负载调度算法
针对不同的网络服务和配置需要,LVS 调度器提供多种不同的负载调度算法,其中最常用的四种算法是轮询、加权轮询、最少连接和加权最少连接。
轮询(Round Robin):将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各
节点,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(Weighted Round Robin):根据调度器设置的权重值来分发请求,
权重值高的节点优先获得任务并且分配的请求越多,这样可以保证性能高的节点
承担更多请求。最少连接(Least Connections):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。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加权最少连接(Weighted Least Connections):在服务器节点的性能差异
较大的情况下,调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重,权重较高的节点
将承担更大比例的活动连接负载。
2.2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。在OpenEuler系统中,需要手动安装ipvsadm.x86_64 1.31-6.oe2403sp1软件包。
dnf install ipvsadmipvsadm -v
LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、删除服务器节点和保存负载分配策略。下面分别展示使用 ipvsadm命令的操作方法。
(1)创建虚拟服务器
若群集的 VIP 地址为 172.16.16.172,针对 TCP 80 端口提供负载分流服务,使用的调度算法为轮询,则对应的ipvsadm命令操作如下所示。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。
ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s rr上述操作中,选项-A表示添加虚拟服务器,-t 用来指定VIP 地址及 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(1c)、加权最少连接(wlc)。
(2)添加服务器节点
为虚拟服务器 172.16.16.172 添加四个服务器节点,IP地址依次为192.168.7.21~24,对应的 ipvsadm 命令操作如下所示。若希望使用保持连接,还应添加“-p 60”选项,其中60为保持时间(单位为s)。
ipvsadm-a-t 172.16.16.172:80-r 192.168.7.21:80-m
-w 1
ipvsadm-a-t 172.16.16.172:80-r 192.168. 7.22:80 -m
-w 1
ipvsadm-a-t 172.16.16. 172:80-r 192.168. 7. 23:80 -m
-w 1
ipvsadm-a-t 172.16.16.172:80-r 192.168. 7.24:80 -m
-w 1上述操作中,有以下选项
> -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 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)。
(3)查看群集节点状态
结合选项-1 可以列表查看 LVS 虚拟服务器,可以指定只查看某一个 VIP 地址(默认为查看所有),结合选项-n 将以数字形式显示地址、端口等信息。
ipvsadm -1n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。
(4)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,以下操作将会删除 LVS 群集172.16.16.172 中的节点192.168.7.24
ipvsadm -d -r 192. 168. 7.24:80 -t 172.16.16.172:80需要删除整个虚拟服务器时,使用选项-D并指定虚拟 IP地址即可,无须指定节点。例如,若执行“ipvsadm-D-t 172.16.16.172:80”,则删除此虚拟服务器。
(5)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。当然也可以快速清除、重建负载分配策略。
ipvsadm-save>/etc/sysconfig/ipvsadm//cat/etc/sysconfig/ipvsadm//systemctl stop ipvsadm//systemctl start ipvsadm//3. NFS 共享存储服务
NFS 是一种基于 TCP/IP 传输的网络文件系统协议,最初由 Sun 公司开发。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共享资源。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。
3.1 使用NFS发送共享资源
NFS 服务的实现依赖于 RPC(Remote Process Call,远端过程调用)机制,以完成远程到本地的映射过程。在OpenEuler 系统中,需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供 NFS共享服务,前者用于 NFS 共享发布和访问,后者用于RPC 支持。
(1)安装 nfs-utils、rpcbind 软件包
提供 RPC 支持的服务为 rpcbind,提供NFS共享的服务为 nfs,完成安装以后建议调整这两个服务的自启动状态,以便每次开机后自动启用。手动加载NFS 共享服务时,应该先启动 rpcbind,再启动 nfs。
yum -y install nfs-utils rpcbindsystemctl enable nfs-serversystemctl enable rpcbind(2)设置共享目录
NFS 的配置文件为/etc/exports,文件内容默认为空(无任何共享)。在exports 文件中设置共享资源时,记录格式为“目录位置客户机地址(权限选项)”。列如,若要将文件夹/opt/wwwroot 共享给 192.168.10.0/24 网段使用,允许读写操作,具体配置如下所示。
mkdir -p /opt/wwwrootvi /etc/exports其中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;汉限选项中的rw表示允许读写(ro为只读),sync 表示同步写入,1o_root_squash 表示当客户机以root 身份访问时赋予本地 root 权限(默认是 root_squash,将作为 nfsnobody 用户降权对待)。
当需要将同一个目录共享给不同的客户机,且分配不同的权限时,只要以空格分隔指定多个“客户机(权限选项)”即可。例如,以下操作将/var/ftp/public目录共享给两个客户机,并分别给予只读、读写权限。
vi /etc/exports
（3）启动NFS 服务程序
systemctl start rpcbindsystemctl start nfs-servernetstat -anpt | grep rpc3.2 在客户机访问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 命令来进行挂载,对应的文件系统类型为nfs。既可以手动挂载,也可以加入/etc/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。
若要正常访问 NFS 共享资源,客户机中也需要安装rpcbind 软件包,并启动rpcbind系统服务。另外,为了使用 showmount 查询工具,建议将 nfs-utils 软件包也一并装上。
dnf -y install rpcbind nfs-utilssystemctl enable rpcbindsystemctl start rpcbind如果已经安装了 nfs-utils 软件包,则客户机也可以使用 showmount 查看NFS 服务器端共享了哪些目录,查询格式为“showmount -e服务器地址”。
showmount -e 192.168.10.104(2)手动挂载NFS共享目录
以 root 用户身份执行 mount 操作,将 NFS 服务器共享的/opt/wwwroot目录挂载到本地目录/var/www/html。
mount 192.168.10.104:/opt/wwwroot /var/www/htmltail-1/etc/mtabvi/var/www/html/index.html完成挂载以后,访问客户机的/var/www/html 文件夹,实际上就相当于访问NFS 服务器中的/opt/wwwroot 文件夹,其中的网络映射过程对于用户程序来说是透明的。例如,上述操作中创建的 index.html 测试文件,会立刻出现在服务器的/opt/wwwroot/目录下。
（3）fstab 自动挂载设置
修改/etc/fstab 配置文件,加入 NFS 共享目录的挂载设置。注意将文件系统类型设为nfs,挂载参数建议添加_netdev(设备需要网络)。若添加 soft、intr参数可以实现软挂载,允许在网络中断时放弃挂载。这样,客户机就可以在每次开机后自动挂载 NFS 共享资源了。
vi /etc/fstab二 案例：地址转换模式
1.配置负载调度器
(1)开启路由转发规则
vi /etc/sysctl. confsysctl -p(2)在1vs服务新增一块网卡,仅主机模式,作为vip(集群ip,模拟外网ip)使用
ifconfig ens36若添加的网卡没有ip,需要更改ens36的网卡配置文件,网卡配文件没有的话直接新增
vim ifcfg-ens36(3)配置负载分配策略
ipvsadm-C ipvsadm -A -t 192.168.74.129:80 -s rripvsadm-a-t 192.168.74.129:80-r 192.168.10.102:80 -m -w 1ipvsadm-a-t 192.168.74.129:80-r 192.168.10.103:80-m -w 1ipvsadm -- savesystemctl enable ipvsadm3.配置节点服务器
所有的节点服务器均使用相同的配置,包括 httpd 服务端口、网站文档内容。实际上各节点的网站文档可存放在共享存储设备中,从而免去同步的过程。但在案例调试阶段可以为各节点采用不同的网页,以便测试负载均衡效果。
(1)修改节点服务器的网关,指向1vs调度器的192.168.10.101(也就是模拟的内网网卡)
route -nroute del default gw 192.168.10.254route add default gw 192.168.10.101
(2)安装 httpd,创建测试网页
dnf -y install httpdmount 192.168.10.104:/opt/wwwroot /var/www/htmlvi /var/www/html/index.html(3)启用 httpd 服务程序。
systemctl start httpdsystemctl enable httpd4.测试 LVS 群集
使用宿主机,从Internet 中直接访问 http://192.168.10.100/,将能够看到由真实服务器提供的网页内容 -- 如果各节点的网页不同,则不同客户机看到的网页可能也不一样(可以多刷新几次)。
在 LVS 负载调度器中,通过查看节点状态可以观察当前的负载分配情况,对于轮询算法来说,每个节点所获得的连接负载应大致相当。
ipvsadm -1nipvsadm-1nc