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LVS负载均衡群集与NAT模式LVS负载均衡部署

时间：2023-03-14 19:49:26

一、负载均衡群集的原理

1、群集的概念

1.2纵向扩展

1.3横向扩展

2 企业群集分类

3 负载均衡群集架构

1 负载均衡的结构

4 负载均衡集群工作模式

4.1 NAT（地址转换）

4.2 DR（直接路由）

4.3 TUN（IP隧道）

二LVS虚拟服务器

1 lvs虚拟服务器概述

2 LVS相关常用术语

3 LVS负载调度算法

3.1 固定调度算法：rr wrr dh sh

3.2 动态调度算法：wlc lc lblc

4 LVS调度算法

5 加载ip_vs通用模块

6 加载LVS所有的负载调度算法

三ipvsadm 工具

1 ipvsadm的作用

2 工具选项说明

四. NAT模式 LVS负载均衡群集部署

1 实验环境

2 部署共享存储（NFS服务器）

1关闭防火墙核心防护

2安装并配置、启动NFS服务

3 配置节点服务器（web1、web2）

1关闭防火墙核心防护

2安装并配置、启动http服务

3web1：192.168.200.10

4web2：192.168.200.20

4 配置负载调度器

1关闭防火墙核心防护

2配置SNAT转发规则

3配置iptables策略

4加载LVS内核模块

5加载LVS所有调度算法

6安装ipvsadm 管理工具

7启动服务前须保存负载分配策略

8配置负载分配策略（NAT模式只要在服务器上配置，节点服务器不需要特殊配置）

5测试

一、负载均衡群集的原理

1、群集的概念

Cluster、集群、群集由多台主机构成，但对外只表现为一个整体，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。

弊端：

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、大型机使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集

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。

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

1.2`纵向扩展`

对服务器的CPU、内存、硬盘等硬件进行升级或者扩容来实现的

性能上限会有瓶颈，成本昂贵，收效比不高等问题

`1.3``横向扩展`

通过增加服务器主机数量来应对高并发的场景

2 企业群集分类

负载均衡群集（LA）高可用群集（HA）高性能运算群集（HPC）

负载均衡群集(Load Balance Cluster)

1、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(LB) 的整体性能

2、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

高可用群集(High Availability Cluster)

1、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

2、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)

1、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

2、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

3 负载均衡群集架构

1 负载均衡的结构

第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)

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。

通过VIP接收用户的请求，再通过调度算法确定要转发的节点服务器

第二层，服务器池(Server Pool)

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。

服务器池中的节点服务器通过RIP接收调度器转发来的请求，并处理请求进行响应

第三层，共享存储(Share Storage)

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,分布式对象存储等存储设备。

节点

一个节点就是一个服务（实例），可以实现存储数据，索引并且搜索的功能。每个节点都有一个唯一的名称作为身份标识；如果没有设置名称，默认使用 UUID 作为名称。推荐定义有意义的名称，便于更好的在集群中区分与管理。节点通过设置集群名称，在同一网络中发现具有相同集群名称的节点，组成集群。如果在同一网络中只有一个节点，则这个节点成为一个单节点集群，即此节点集群中每个节点都是功能齐全的服务

4 负载均衡集群工作模式

地址转换(NAT)IP隧道(TUN)直接路由(DR)

4.1 NAT（地址转换）

1、Network Address Translation，简称NAT模式

2、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

3、服务器节点使用私有IP地址，与负载调度器位于同一个网络网络，安全性要优于其他两种方式

特点

1、缺点：调度器作为所有节点服务器的网关，既作客户端的访问入口，也作节点服务器响应的访问出口，也就意味着调度器将成为整个集群系统的瓶颈

2、由于在转发过程中做了地址转发，对于节点服务器的安全性比其它模式较好

3、调度器至少要有2个网卡，一个承载VIP用于接收客户端的请求，另一个用于使用私有IP在同一个局域网中与节点服务器相互通信

4.2 DR（直接路由）

1、Direct Routing，简称DR模式

2、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，而是与调度服务器位于同一物理网络

3、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

特点

1、优点：调度器只负责接收客户端的请求，并根据调度算法转发给节点服务器；节点服务器在处理完请求后是直接响应返回给客户端，响应的数据包不经过调度器,性能比NAT模式高。

2、缺点：调度器和节点服务器使用私有IP在同一个局域网中与节点服务器才能相互通信

4.3 TUN（IP隧道）

1、IP Tunnel，简称TUN模式

2、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lnternet连接直接回应客户机，而不在经过负载调度器，承受压力比NAT模式小

3、服务器节点分散在互联网中的不同位置，具有独立公网IP地址，通过专用IP隧道与负载调度器相互通信

IP隧道原理的核心思想：基于一个IP报文封装在另一个IP报文的技术，从而使得目标为一个IP地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP地址，因而IP隧道技术也可以成为IP封装技术(IP encapsulation)。

IP隧道主要用于移动主机和虚拟私有网络(Virtual Private Network)，在其中隧道都是静态建立的，隧道一端有一个IP地址，另一端也有一个唯一的IP地址

特点

架构与DR相类似，但是节点服务器分散在互联网各个位置，都具有独立的公网IP，通过专用IP隧道与调度器相互通信

二LVS虚拟服务器

1 lvs虚拟服务器概述

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：/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

2 LVS相关常用术语

3 LVS负载调度算法

3.1 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一个静态hash表来获得需要的RS。

3.2 动态调度算法：wlc lc lblc

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 LVS调度算法

轮询（Round Robin）

加权轮询（Weighted Round Robin）

最少连接（Least Connections）

加权最少连接（Weighted Least Connections）

源地址哈希表（source hashing）

5 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Centos7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 ##查看当前系统中的ip_vs模块中的版本信息

6 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：

ls | grep -o "^[^.]*" //过滤出所有调度算法的名称

for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)l/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modF filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done ##加载所有调度算法

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

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

三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

1 ipvsadm的作用

1、LVS群体创建与管理

2、创建虚拟服务器

3、添加、删除服务器节点

4、查看群集及节点情况

5、保存负载分配策略

2 工具选项说明

四. NAT模式 LVS负载均衡群集部署

1 实验环境

负载调度器

内网关 ens33：192.168.200.100外网关 ens36：12.0.0.1

Web 服务器1：192.168.200.10

Web 服务器2：192.168.200.20

NFS服务器：192.168.200.101

客户端：12.0.0.12

2 部署共享存储（NFS服务器）

1关闭防火墙核心防护

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld.service

[root@localhost ~]# systemctl disable firewalld.service

[root@localhost ~]# setenforce 0

2安装并配置、启动NFS服务

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

[root@localhost ~]# systemctl start rpcbind.service

[root@localhost ~]# systemctl start nfs.service

[root@localhost ~]# systemctl enable nfs.service

[root@localhost ~]# systemctl enable rpcbind.service

[root@localhost ~]# mkdir /opt/can /opt/benet

[root@localhost ~]# chmod 777 /opt/can /opt/benet

[root@localhost ~]# echo 'this is can web!' > /opt/can/index.html

[root@localhost ~]# echo 'this is benet web!' > /opt/benet/index.html

[root@localhost ~]# vim /etc/exports

/usr/share *(ro,sync)

/opt/can 192.168.80.0/24(rw,sync)

/opt/benet 192.168.80.0/24(rw,sync)

发布共享

exportfs -rv

3 配置节点服务器（web1、web2）

1关闭防火墙核心防护

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld.service

[root@localhost ~]# systemctl disable firewalld.service

[root@localhost ~]# setenforce 0

2安装并配置、启动http服务

[root@localhost ~]# yum install httpd -y

[root@localhost ~]# systemctl start httpd.service

[root@localhost ~]# systemctl enable httpd.service

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

[root@localhost ~]# showmount -e 192.168.200.101

[root@localhost ~]# systemctl start rpcbind

[root@localhost ~]# systemctl enable rpcbind

3web1：192.168.200.10

[root@localhost ~]# mount.nfs 192.168.200.101:/opt/can /var/www/html

[root@localhost ~]# echo 'this is can web!' > /var/www/html/index.html

[root@localhost ~]# vim /etc/fstab

192.168.200.101:/opt/can /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0

4web2：192.168.200.20

[root@localhost ~]# mount.nfs 192.168.200.101:/opt/benet /var/www/html

[root@localhost ~]# echo 'this is benet web!' > /var/www/html/index.html

[root@localhost ~]# vim /etc/fstab

192.168.200.101:/opt/benet /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0

4 配置负载调度器

1关闭防火墙核心防护

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld.service

[root@localhost ~]# systemctl disable firewalld.service

[root@localhost ~]# setenforce 0

2配置SNAT转发规则

1：

[root@localhost ~]# vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_forward = 1

[root@localhost ~]# sysctl -p

2：

[root@localhost ~]# echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

[root@localhost ~]# sysctl -p

3配置iptables策略

[root@localhost ~]# iptables -t nat -F

[root@localhost ~]# iptables -F

[root@localhost ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.200.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

4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版本信息

5加载LVS所有调度算法

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