LVS负载均衡群集技术深度解析

第一章 群集技术概述与LVS基础

1.1 群集技术的核心价值与分类

随着互联网应用的复杂化，单台服务器在性能、可靠性、扩展性等方面逐渐成为瓶颈。群集技术（Cluster）通过整合多台服务器资源，以统一入口对外提供服务，成为解决高并发、高可用需求的核心方案。根据目标差异，群集技术可分为三大类型：

1. 负载均衡群集（Load Balance Cluster, LB）

• 目标：提升系统响应能力，处理更多并发请求，减少延迟。
• 实现方式：通过调度算法将请求分发到多个节点，典型技术包括DNS轮询、反向代理、LVS等。
• 核心优势：横向扩展性强，通过增加节点缓解负载压力。

2. 高可用群集（High Availability Cluster, HA）

• 目标：整合计算资源，提高大规模数据处理和科学计算能力。
• 实现方式：基于分布式计算框架（如MPL、hadoop）实现并行任务处理。
• 应用领域：气象预测、基因测序、人工智能模型训练等。

技术融合趋势：现代企业常将多种群集类型结合使用。例如，结合LB与HA构建高可用负载均衡群集，确保服务既高效又稳定。

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1.2 LVS负载均衡群集的架构设计

LVS（Linux Virtual Server）是由章文嵩博士开发的基于Linux内核的负载均衡解决方案，其架构分为三层：

1. 负载调度器（Load Balancer）

• 角色：作为群集唯一入口，对外提供虚拟IP（VIP），负责请求分发。
• 高可用设计：主备调度器通过热备机制（如Keepalived）实现故障切换。

2. 服务器池（Server Pool）

• 组成：多个真实服务器（Real Server），每个节点拥有独立真实IP（RIP）。
• 动态扩展：通过增减节点灵活调整处理能力，且对客户端透明。

3.共享存储（Shared Storage）

• 作用：确保所有节点数据一致性，常用方案包括NFS、分布式文件系统（如Ceph）。
• 关键技术：NFS通过RPC机制实现跨网络文件共享，支持读写锁与权限控制。

架构示例：

• VIP：172.16.16.172（对外服务IP）。
• RIP：192.168.7.21~24（真实服务器IP）。
• 共享存储：NFS服务器提供/opt/wwwroot目录的挂载。

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1.3 LVS的三种负载均衡模式

LVS支持基于IP的三种工作模式，其核心差异在于网络结构和数据流向：

1. NAT模式（Network Address Translation）

• 网络拓扑：调度器作为网关，所有请求和响应均经过调度器。
• IP配置：节点使用私有IP，调度器需配置双网卡（内网与外网）。
• 优点：仅需一个公网IP，安全性高，适合内部网络环境。
• 缺点：调度器可能成为性能瓶颈，不适合超大规模场景。

2.TUN模式（IP Tunnel）

• 网络拓扑：调度器进处理入站请求，节点通过IP隧道直接响应客户端。
• IP配置：节点需拥有公网IP，分散在互联网不同位置。
• 优点：减轻调度器负担，支持跨地域部署。
• 缺点：配置复杂，需支持IP隧道协议。

3. DR模式（Direct Routing）

• 网络拓扑：调度器与节点位于同一物理网络，通过MAC地址改写实现直接路由。
• IP配置：节点与调度器共享VIP，但通过ARP抑制避免冲突。
• 优点：性能最优，适用于高吞吐场景。
• 缺点：网络配置要求严格，需避免ARP广播问题。

模式对比：

模式	网络复杂度	性能	适用场景
NAT	低	中	中小规模内网环境
TUN	高	高	跨地域分布式部署
DR	中	极高	数据中心高并发

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第二章 LVS核心技术与配置实践

2.1 LVS负载调度算法详解

LVS支持多种调度算法，根据业务需求灵活选择：

1. 轮询（Round Robin，rr）

• 原理：按顺序依次分配请求，确保每个节点均衡负载。
• 适用场景：节点性能相近，无显著差异的集群。

2. 加权轮询（Weighted Round Robin， wrr）

• 原理：根据预设权重分配请求，权重高的节点处理更多流量。
• 配置示例：ipvsadm -A -t VIp:80 -s wrr,节点权重通过 -w 参数设置。

3.最少连接（Least Connections， lc）

• 原理：优先将请求分配给当前连接数最少的节点。
• 优势：动态适应节点负载变化，避免单点过载。

4. 加权最少连接（Weighted Least Connections， wlc）

• 原理：结合权重和连接数，计算综合负载进行分配。
• 公式：负载值=活动连接数 / 权重，选择负载值最小的节点。

算法选择建议：

• 静态环境：使用加权轮询或轮询。
• 动态环境：优先选择最少连接或加权最少连接。

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2.2 ipvsadm工具的使用与管理

ipvsadm是LVS的核心管理工具，支持虚拟服务器配置、节点管理及状态监控。

关键操作命令：

 1.创建虚拟服务器

ipvsadm -A -t 172.16.16.172:80 -s rr  # 使用轮询算法

 2.添加真实服务器节点

ipvsadm -a -t VIP:80 -r RIP:80 -m -w 1  # NAT模式，权重为1

3. 查看群集状态

ipvsadm -ln  # 数字格式显示连接详情
ipvsadm -lnc  # 查看客户端连接状态（如TIME_WAIT、ESTABLISHED）

4.删除节点或虚拟服务器

ipvsadm -d -t VIP:80 -r RIP:80  # 删除单个节点
ipvsadm -D -t VIP:80           # 删除整个虚拟服务器

5. 策略持久化

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm  # 保存配置
systemctl restart ipvsadm             # 重启服务加载配置

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2.3 NFS共享储存配置全解析

NFS（Network File System）是LVS群集中实现数据一致性的关键技术。

服务端配置步骤：

 1.安装依赖包

yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl enable --now rpcbind nfs-server

2.定义共享目录

mkdir /opt/wwwroot
echo "/opt/wwwroot 192.168.10.0/24(rw,sync,no_root_squash)" >> /etc/exports
exportfs -arv  # 重载配置

3.防火墙放行

firewall-cmd --add-service={nfs,rpc-bind,mountd} --permanent
firewall-cmd --reload

客户端挂载：

mount -t nfs 192.168.10.104:/opt/wwwroot /var/www/html  # 手动挂载
echo "192.168.10.104:/opt/wwwroot /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0" >> /etc/fstab  # 开机自动挂载

权限控制要点：

• rw / ro:控制读写权限。
• sync / async：数据写入模式（同步/异步）。
• root_squash:将root用户映射为匿名用户，提升安全性。

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第三章 LVS-NAT群集构建实战

3.1 环境规划与拓扑设计

案例架构：

• 负载调度器：双网卡（内网192.168.10.101，外网VIP 192.168.74.129）。
• 节点服务器：Web1（192.168.10.102）、Web2（192.168.10.103），网关指向调度器。
• NFS服务器：192.168.10.104，提供/opt/wwwroot共享目录。

3.2 关键配置步骤

调度器配置：

1. 开启IP转发

echo "net.ipv4.ip_forward=1" >> /etc/sysctl.conf
sysctl -p

2. 配置负载策略

ipvsadm -A -t 192.168.74.129:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.74.129:80 -r 192.168.10.102:80 -m -w 1
ipvsadm -a -t 192.168.74.129:80 -r 192.168.10.103:80 -m -w 1
ipvsadm-save

 节点服务器配置：

1. 修改默认网关

route del default gw 原网关
route add default gw 192.168.10.101

2.挂载NFS共享

mount 192.168.10.104:/opt/wwwroot /var/www/html

3.部署HTTP服务

yum install httpd -y
systemctl enable --now httpd
echo "<h1>Node1</h1>" > /var/www/html/index.html  # 测试差异化内容

3.3 测试与验证

1.客户端访问测试

通过浏览器访问 http：//192.168.74.129， 多次刷新观察不同节点返回的页面。

2. 调度器状态监控

ipvsadm -ln  # 查看连接分配
ipvsadm -lnc  # 分析详细连接状态

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