01 LVS负载均衡群集

集群

在互联网应用中，随着站点对硬件的性能、响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求越来越高，单台服务器越来越力不从心

集群的含义

• Cluster，集群也叫群集
• 由多台主机构成，但对外只表现为一个整体

集群分类

类型

• 负载均衡集群（高并发）
• 高可用集群（避免单点故障）
• 高性能运算集群

负载均衡集群（Load Balance Cluster）

• 提高应用系统的响应能力，因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
• LB的负载均衡依赖于主节点的分流算法

高可用集群（High Availability Cluster）

• 以提高系统的可靠性，尽可能地减少中断时间为目标，确保服务的连续性，达到高可用的容错效果
• HA的工作方式包括双工和主从两种模式

高性能运算集群（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

负载均衡集群架构

第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）

• 当用户向服务器发送一个访问请求时，不让用户直接访问服务器，而是访问一个独立的调度器服务器，它的任务是接收用户的访问请求，把请求按照调度策略分配给后端的服务器
• 调度器不负责数据的解析，只是一个中转站，因此调度器的并发能力很强

第二层，服务器池（Server Pool）

• 调度器分配请求的目的地就是服务器池，负责向用户提供服务
• 在集群中，服务器池内的任意一个单台服务器，都可以单独运行业务产品，只是压力比负载均衡的环境更大而已

第三层，共享存储（Share Storage）

• 让服务器池中的每个Web服务器都挂载同一个存储池，假如网站内容更新，不需要在每个Web服务器上都更新一遍

结构

LVS集群的工作模式

本次只演示地址转换的示例步骤

• 负载均衡集群是目前企业用的最多的集群类型
• 集群的负载调度技术有三种工作模式
  • 地址转换
  • IP隧道
  • 直接路由

NAT模式

• 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，作为外网的访问入口，内网的应答出口
• 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
• 外网的请求和内网的响应都需要经过调度器，所以内网服务器的网关地址应该是调度器
• 针对中小型的集群环境

源地址和目标地址转换的过程

1. 当外网客户端访问业务而发送请求时，调度器根据策略选择一个可用的后端服务器来处理请求
2. 然后调度器通过DNAT把目标地址转换为后端服务器的地址，并传递给该服务器
3. 后端服务器收到请求后，生成响应，然后返回给调度器，此时响应的源地址是后端服务器的IP地址
4. 调度器收到响应后，通过SNAT把源地址修改为自己与外网通信的公有IP地址
5. 然后返回给客户端

DR模式（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，但内网服务器并不是分散在各地，而是与调度器位于同一个物理网络
• 负载调度器与内网服务器通过本地网络连接，不需要建立专用的IP隧道
• 因为调度器只接收外网的请求，内网服务器的响应则是直接由网关路由出去，所以减轻了调度器的压力
• 针对大规模集群

源地址和目标地址转换的过程

1. 当外网客户端需要访问业务而发送请求时
2. 通过DNAT修改目标地址为调度器的地址，然后传递给内网调度器
3. 调度器收到请求后，根据调度策略选择一个可用的后端服务器，再通过DNAT把目标地址转换为内网服务器的地址，然后把请求传递给内网服务器
4. 内网服务器收到请求后，生成响应直接返回给网关，此时的源地址是内网服务器的IP地址
5. 网关收到后端服务器的响应后，进行SNAT地址转换，把源地址转换为网关的公有IP地址，然后返回给客户端

TUN模式（IP隧道）

• IP Tunnel，简称TUN模式
• 采用开放式的网络结构，调度器和内网设备不在同一物理网络
• 负载调度器仅作为外网的访问入口，内网服务器通过各自的Internet连接直接回应外网请求，而不再经过调度器
• 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
• 由于调度器和服务器都部署在公网，所以它们之间的通信都通过ip-ip的加密算法来加密通信

源地址和目标地址转换的过程

1. 外网请求首先到达调度器的外网接口
2. 调度器收到这些请求后，根据预设的路由规则将请求打包封装进IP隧道中，然后发送到内网
3. 数据在IP隧道中传输时，隧道设备会将原始数据包头部封装，这个头部包含的是隧道设备的公共IP地址和内网目标服务器的私有IP地址
4. 当内网服务器收到请求后，生成响应，响应首先到达隧道设备。
5. 隧道设备会解析响应，去除隧道头部，然后根据记录的信息将响应返回到发起请求的外网客户端
6. 外网客户端最终接收到的响应来自调度器，因为调度器会将来自内网服务器的响应经过隧道的IP地址转换，使得外网客户端看到的是调度器的公共IP地址作为源地址。

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调度算法

• 轮询（Round Robin）

  • 将受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），均等的对待每一台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载

• 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，分配的请求书越多
  • 保证性能强的服务器承担更多的请求数量

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LVS常用选项

选项	说明
-s	指定调度算法 rr：轮询 wrr：加权轮询 lc：最小链接数 wlc：加权最小连接数
-A	添加一个新的集群服务
-E	修改一个己有的集群服务
-D	删除指定的集群服务
-S	保存ipvsadm设定的规则策略，默认保存在/etc/sysconfig/ipvsadm中
-R	载入己保存的规则策略，默认加载/etc/sysconfig/ipvsadm
-C	清除所有集群服务
-Z	清除所有记数器
-L	显示当前己有集群服务，能通过相应的options查看不同状态信息
-a	向指定的集群服务中添加RS及属性
-e	修改RS属性
-t	指定为tcp协议
-u	指定为udp协议
-s	调度方法，默认为wlc
-w	指定权重，默认为1
-g	Gateway, DR模型
-i	ipip, TUN模型
-m	masquerade, NAT模型
-r	指定后端服务器的地址