負載均衡集群是 load balance 集群的簡寫，翻譯成中文就是負載均衡集群。常用的負載均衡開源軟件有nginx、lvs、haproxy，商業(yè)的硬件負載均衡設(shè)備F5、Netscale。這里主要是學(xué)習(xí) LVS 并對其進行了詳細的總結(jié)記錄。

LB集群的架構(gòu)和原理很簡單，就是當(dāng)用戶的請求過來時，會直接分發(fā)到Director Server上，然后它把用戶的請求根據(jù)設(shè)置好的調(diào)度算法，智能均衡地分發(fā)到后端真正服務(wù)器(real server)上。為了避免不同機器上用戶請求得到的數(shù)據(jù)不一樣，需要用到了共享存儲，這樣保證所有用戶請求的數(shù)據(jù)是一樣的。

LVS是 Linux Virtual Server 的簡稱，也就是Linux虛擬服務(wù)器。這是一個由章文嵩博士發(fā)起的一個開源項目，它的官方網(wǎng)是??現(xiàn)在 LVS 已經(jīng)是 Linux 內(nèi)核標準的一部分。使用 LVS 可以達到的技術(shù)目標是：通過 LVS 達到的負載均衡技術(shù)和 Linux 操作系統(tǒng)實現(xiàn)一個高性能高可用的 Linux 服務(wù)器集群，它具有良好的可靠性、可擴展性和可操作性。從而以低廉的成本實現(xiàn)最優(yōu)的性能。LVS 是一個實現(xiàn)負載均衡集群的開源軟件項目，LVS架構(gòu)從邏輯上可分為調(diào)度層、Server集群層和共享存儲。

1. 當(dāng)用戶向負載均衡調(diào)度器（Director Server）發(fā)起請求，調(diào)度器將請求發(fā)往至內(nèi)核空間

2.?PREROUTING鏈首先會接收到用戶請求，判斷目標IP確定是本機IP，將數(shù)據(jù)包發(fā)往INPUT鏈

3.?IPVS是工作在INPUT鏈上的，當(dāng)用戶請求到達INPUT時，IPVS會將用戶請求和自己已定義好的集群服務(wù)進行比對，如果用戶請求的就是定義的集群服務(wù)，那么此時IPVS會強行修改數(shù)據(jù)包里的目標IP地址及端口，并將新的數(shù)據(jù)包發(fā)往POSTROUTING鏈

4.?POSTROUTING鏈接收數(shù)據(jù)包后發(fā)現(xiàn)目標IP地址剛好是自己的后端服務(wù)器，那么此時通過選路，將數(shù)據(jù)包最終發(fā)送給后端的服務(wù)器

LVS 由2部分程序組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1.ipvs(ip virtual server)：一段代碼工作在內(nèi)核空間，叫ipvs，是真正生效實現(xiàn)調(diào)度的代碼。

2. ipvsadm：另外一段是工作在用戶空間，叫ipvsadm，負責(zé)為ipvs內(nèi)核框架編寫規(guī)則，定義誰是集群服務(wù)，而誰是后端真實的服務(wù)器(Real Server)

1. DS：Director Server。指的是前端負載均衡器節(jié)點。
2. RS：Real Server。后端真實的工作服務(wù)器。
3. VIP：向外部直接面向用戶請求，作為用戶請求的目標的IP地址。
4. DIP：Director Server IP，主要用于和內(nèi)部主機通訊的IP地址。
5. RIP：Real Server IP，后端服務(wù)器的IP地址。
6. CIP：Client IP，訪問客戶端的IP地址。

下邊是三種工作模式的原理和特點總結(jié)。

1. 重點理解NAT方式的實現(xiàn)原理和數(shù)據(jù)包的改變。

(a). 當(dāng)用戶請求到達Director Server，此時請求的數(shù)據(jù)報文會先到內(nèi)核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP
(b). PREROUTING檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目標IP是本機，將數(shù)據(jù)包送至INPUT鏈
(c). IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，修改數(shù)據(jù)包的目標IP地址為后端服務(wù)器IP，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)至POSTROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為RIP
(d). POSTROUTING鏈通過選路，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Real Server
(e). Real Server比對發(fā)現(xiàn)目標為自己的IP，開始構(gòu)建響應(yīng)報文發(fā)回給Director Server。 此時報文的源IP為RIP，目標IP為CIP
(f). Director Server在響應(yīng)客戶端前，此時會將源IP地址修改為自己的VIP地址，然后響應(yīng)給客戶端。 此時報文的源IP為VIP，目標IP為CIP

2. LVS-NAT模型的特性

RS應(yīng)該使用私有地址，RS的網(wǎng)關(guān)必須指向DIP

DIP和RIP必須在同一個網(wǎng)段內(nèi)

請求和響應(yīng)報文都需要經(jīng)過Director Server，高負載場景中，Director Server易成為性能瓶頸

支持端口映射

RS可以使用任意操作系統(tǒng)

缺陷：對Director Server壓力會比較大，請求和響應(yīng)都需經(jīng)過director server

1.重將請求報文的目標MAC地址設(shè)定為挑選出的RS的MAC地址

(a)?當(dāng)用戶請求到達Director Server，此時請求的數(shù)據(jù)報文會先到內(nèi)核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP
(b)?PREROUTING檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目標IP是本機，將數(shù)據(jù)包送至INPUT鏈
(c)?IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，將請求報文中的源MAC地址修改為DIP的MAC地址，將目標MAC地址修改RIP的MAC地址，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)至POSTROUTING鏈。 此時的源IP和目的IP均未修改，僅修改了源MAC地址為DIP的MAC地址，目標MAC地址為RIP的MAC地址
(d)?由于DS和RS在同一個網(wǎng)絡(luò)中，所以是通過二層來傳輸。POSTROUTING鏈檢查目標MAC地址為RIP的MAC地址，那么此時數(shù)據(jù)包將會發(fā)至Real Server。
(e)?RS發(fā)現(xiàn)請求報文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此報文。處理完成之后，將響應(yīng)報文通過lo接口傳送給eth0網(wǎng)卡然后向外發(fā)出。 此時的源IP地址為VIP，目標IP為CIP
(f)?響應(yīng)報文最終送達至客戶端

2. LVS-DR模型的特性

特點1：保證前端路由將目標地址為VIP報文統(tǒng)統(tǒng)發(fā)給Director Server，而不是RS

RS可以使用私有地址；也可以是公網(wǎng)地址，如果使用公網(wǎng)地址，此時可以通過互聯(lián)網(wǎng)對RIP進行直接訪問

RS跟Director Server必須在同一個物理網(wǎng)絡(luò)中

所有的請求報文經(jīng)由Director Server，但響應(yīng)報文必須不能進過Director Server

不支持地址轉(zhuǎn)換，也不支持端口映射

RS可以是大多數(shù)常見的操作系統(tǒng)

RS的網(wǎng)關(guān)絕不允許指向DIP(因為我們不允許他經(jīng)過director)

RS上的lo接口配置VIP的IP地址

缺陷：RS和DS必須在同一機房中

3. 特點1的解決方案：

在前端路由器做靜態(tài)地址路由綁定，將對于VIP的地址僅路由到Director Server

存在問題：用戶未必有路由操作權(quán)限，因為有可能是運營商提供的，所以這個方法未必實用

arptables：在arp的層次上實現(xiàn)在ARP解析時做防火墻規(guī)則，過濾RS響應(yīng)ARP請求。這是由iptables提供的

修改RS上內(nèi)核參數(shù)（arp_ignore和arp_announce）將RS上的VIP配置在lo接口的別名上，并限制其不能響應(yīng)對VIP地址解析請求。

在原有的IP報文外再次封裝多一層IP首部，內(nèi)部IP首部(源地址為CIP，目標IIP為VIP)，外層IP首部(源地址為DIP，目標IP為RIP)

(a)?當(dāng)用戶請求到達Director Server，此時請求的數(shù)據(jù)報文會先到內(nèi)核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP 。
(b)?PREROUTING檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目標IP是本機，將數(shù)據(jù)包送至INPUT鏈
(c)?IPVS比對數(shù)據(jù)包請求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，在請求報文的首部再次封裝一層IP報文，封裝源IP為為DIP，目標IP為RIP。然后發(fā)至POSTROUTING鏈。 此時源IP為DIP，目標IP為RIP
(d)?POSTROUTING鏈根據(jù)最新封裝的IP報文，將數(shù)據(jù)包發(fā)至RS（因為在外層封裝多了一層IP首部，所以可以理解為此時通過隧道傳輸）。 此時源IP為DIP，目標IP為RIP
(e)?RS接收到報文后發(fā)現(xiàn)是自己的IP地址，就將報文接收下來，拆除掉最外層的IP后，會發(fā)現(xiàn)里面還有一層IP首部，而且目標是自己的lo接口VIP，那么此時RS開始處理此請求，處理完成之后，通過lo接口送給eth0網(wǎng)卡，然后向外傳遞。 此時的源IP地址為VIP，目標IP為CIP
(f)?響應(yīng)報文最終送達至客戶端

LVS-Tun模型特性

RIP、VIP、DIP全是公網(wǎng)地址

RS的網(wǎng)關(guān)不會也不可能指向DIP

所有的請求報文經(jīng)由Director Server，但響應(yīng)報文必須不能進過Director Server

不支持端口映射

RS的系統(tǒng)必須支持隧道

其實企業(yè)中最常用的是 DR 實現(xiàn)方式，而 NAT 配置上比較簡單和方便，后邊實踐中會總結(jié) DR 和 NAT 具體使用配置過程。

1.輪叫調(diào)度 rr

這種算法是最簡單的，就是按依次循環(huán)的方式將請求調(diào)度到不同的服務(wù)器上，該算法最大的特點就是簡單。輪詢算法假設(shè)所有的服務(wù)器處理請求的能力都是一樣的，調(diào)度器會將所有的請求平均分配給每個真實服務(wù)器，不管后端 RS 配置和處理能力，非常均衡地分發(fā)下去。

2. 加權(quán)輪叫 wrr

這種算法比 rr 的算法多了一個權(quán)重的概念，可以給 RS 設(shè)置權(quán)重，權(quán)重越高，那么分發(fā)的請求數(shù)越多，權(quán)重的取值范圍 0 – 100。主要是對rr算法的一種優(yōu)化和補充， LVS 會考慮每臺服務(wù)器的性能，并給每臺服務(wù)器添加要給權(quán)值，如果服務(wù)器A的權(quán)值為1，服務(wù)器B的權(quán)值為2，則調(diào)度到服務(wù)器B的請求會是服務(wù)器A的2倍。權(quán)值越高的服務(wù)器，處理的請求越多。

3. 最少鏈接 lc

這個算法會根據(jù)后端 RS 的連接數(shù)來決定把請求分發(fā)給誰，比如 RS1 連接數(shù)比 RS2 連接數(shù)少，那么請求就優(yōu)先發(fā)給 RS1

4. 加權(quán)最少鏈接 wlc

這個算法比 lc 多了一個權(quán)重的概念。

5. 基于局部性的最少連接調(diào)度算法 lblc

這個算法是請求數(shù)據(jù)包的目標 IP 地址的一種調(diào)度算法，該算法先根據(jù)請求的目標 IP 地址尋找最近的該目標 IP 地址所有使用的服務(wù)器，如果這臺服務(wù)器依然可用，并且有能力處理該請求，調(diào)度器會盡量選擇相同的服務(wù)器，否則會繼續(xù)選擇其它可行的服務(wù)器

6. 復(fù)雜的基于局部性最少的連接算法 lblcr

記錄的不是要給目標 IP 與一臺服務(wù)器之間的連接記錄，它會維護一個目標 IP 到一組服務(wù)器之間的映射關(guān)系，防止單點服務(wù)器負載過高。

7. 目標地址散列調(diào)度算法 dh

該算法是根據(jù)目標 IP 地址通過散列函數(shù)將目標 IP 與服務(wù)器建立映射關(guān)系，出現(xiàn)服務(wù)器不可用或負載過高的情況下，發(fā)往該目標 IP 的請求會固定發(fā)給該服務(wù)器。

8. 源地址散列調(diào)度算法 sh

與目標地址散列調(diào)度算法類似，但它是根據(jù)源地址散列算法進行靜態(tài)分配固定的服務(wù)器資源。

1、實驗環(huán)境

三臺服務(wù)器，一臺作為 director，兩臺作為 real server，director 有一個外網(wǎng)網(wǎng)卡(172.16.254.200) 和一個內(nèi)網(wǎng)ip(192.168.0.8)，兩個 real server 上只有內(nèi)網(wǎng) ip (192.168.0.18) 和 (192.168.0.28)，并且需要把兩個 real server 的內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為 director 的內(nèi)網(wǎng) ip(192.168.0.8)

2、安裝和配置

兩個?real?server?上都安裝?nginx?服務(wù)

# yum install -y nginx

?

Director?上安裝?ipvsadm

# yum install -y ipvsadm

Director 上編輯 nat 實現(xiàn)腳本

# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

# 編輯寫入如下內(nèi)容：

#! /bin/bash

# director服務(wù)器上開啟路由轉(zhuǎn)發(fā)功能:

echo?1?> /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

# 關(guān)閉 icmp 的重定向

echo?0?> /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects

echo?0?> /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects

echo?0?> /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects

echo?0?> /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects

# director設(shè)置 nat 防火墻

iptables?-t?nat?-F

iptables?-t?nat?-X

iptables?-t?nat?-A?POSTROUTING?-s?192.168.0.0/24?-j?MASQUERADE

# director設(shè)置 ipvsadm

IPVSADM='/sbin/ipvsadm'

$IPVSADM?-C

$IPVSADM?-A?-t?172.16.254.200:80?-s?wrr

$IPVSADM?-a?-t?172.16.254.200:80?-r?192.168.0.18:80?-m?-w?1

$IPVSADM?-a?-t?172.16.254.200:80?-r?192.168.0.28:80?-m?-w?1

保存后，在 Director 上直接運行這個腳本就可以完成 lvs/nat 的配置

/bin/bash?/usr/local/sbin/lvs_nat.sh

查看ipvsadm設(shè)置的規(guī)則

ipvsadm?-ln

3、測試LVS的效果

通過瀏覽器測試2臺機器上的web內(nèi)容??。為了區(qū)分開，我們可以把 nginx 的默認頁修改一下：

在?RS1?上執(zhí)行

# echo "rs1rs1" >/usr/share/nginx/html/index.html

?

在?RS2?上執(zhí)行

# echo "rs2rs2" >/usr/share/nginx/html/index.html

注意，切記一定要在兩臺 RS 上設(shè)置網(wǎng)關(guān)的 IP 為 director 的內(nèi)網(wǎng) IP。

1、實驗環(huán)境

三臺機器：

Director節(jié)點： ?(eth0 192.168.0.8? vip eth0:0 192.168.0.38)

Real server1： (eth0 192.168.0.18 vip lo:0 192.168.0.38)

Real server2： (eth0 192.168.0.28 vip lo:0 192.168.0.38)

2、安裝

兩個?real?server?上都安裝?nginx?服務(wù)

# yum install -y nginx

?

Director?上安裝?ipvsadm

# yum install -y ipvsadm

3、Director 上配置腳本

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

#! /bin/bash

echo?1?> /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

ipv=/sbin/ipvsadm

vip=192.168.0.38

rs1=192.168.0.18

rs2=192.168.0.28

ifconfig?eth0:0?down

ifconfig?eth0:0?$vip?broadcast?$vip?netmask?255.255.255.255?up

route?add?-host?$vip dev?eth0:0

$ipv?-C

$ipv?-A?-t?$vip:80?-s?wrr

$ipv?-a?-t?$vip:80?-r?$rs1:80?-g?-w?3

$ipv?-a?-t?$vip:80?-r?$rs2:80?-g?-w?1

執(zhí)行腳本：

# bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

4、在2臺 rs 上配置腳本：

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

#! /bin/bash

vip=192.168.0.38

ifconfig?lo:0?$vip?broadcast?$vip?netmask?255.255.255.255?up

route?add?-host?$vip?lo:0

echo?"1"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo?"2"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

echo?"1"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo?"2"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

rs 上分別執(zhí)行腳本：

bash?/usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

5、實驗測試

測試方式同上，瀏覽器訪問?

注意：在 DR 模式下，2臺 rs 節(jié)點的 gateway 不需要設(shè)置成 dir 節(jié)點的 IP 。

參考鏈接地址：

LVS可以實現(xiàn)負載均衡，但是不能夠進行健康檢查，比如一個rs出現(xiàn)故障，LVS 仍然會把請求轉(zhuǎn)發(fā)給故障的rs服務(wù)器，這樣就會導(dǎo)致請求的無效性。keepalive 軟件可以進行健康檢查，而且能同時實現(xiàn) LVS 的高可用性，解決 LVS 單點故障的問題，其實 keepalive 就是為 LVS 而生的。

1、實驗環(huán)境

4臺節(jié)點

Keepalived1 + lvs1(Director1)：192.168.0.48

Keepalived2 + lvs2(Director2)：192.168.0.58

Real server1：192.168.0.18

Real server2：192.168.0.28

IP: 192.168.0.38

2、安裝系統(tǒng)軟件

Lvs + keepalived的2個節(jié)點安裝

# yum install ipvsadm keepalived -y

Real server + nginx服務(wù)的2個節(jié)點安裝

# yum install epel-release -y

# yum install nginx -y

3、設(shè)置配置腳本

Real server節(jié)點2臺配置腳本：

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

#! /bin/bash

vip=192.168.0.38

ifconfig?lo:0?$vip?broadcast?$vip?netmask?255.255.255.255?up

route?add?-host?$vip?lo:0

echo?"1"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo?"2"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

echo?"1"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo?"2"?>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

?

2節(jié)點rs?上分別執(zhí)行腳本：

bash?/usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

keepalived節(jié)點配置(2節(jié)點)：

主節(jié)點(?MASTER?)配置文件

vim?/etc/keepalived/keepalived.conf

vrrp_instance?VI_1?{

????state?MASTER

????interface?eth0

????virtual_router_id?51

????priority?100

????advert_int?1

????authentication?{

????????auth_type PASS

????????auth_pass?1111

????}

????virtual_ipaddress?{

????????192.168.0.38

????}

}

?

virtual_server?192.168.0.38?80?{

????delay_loop?6

????lb_algo rr

????lb_kind DR

????persistence_timeout?0

????protocol TCP

?

????real_server?192.168.0.18?80?{

????????weight?1

????????TCP_CHECK?{

????????????connect_timeout?10

????????????nb_get_retry?3

????????????delay_before_retry?3

????????????connect_port?80

????????}

????}

?

????real_server?192.168.0.28?80?{

????????weight?1

????????TCP_CHECK?{

????????????connect_timeout?10

????????????nb_get_retry?3

????????????delay_before_retry?3

????????????connect_port?80

????????}

????}

}

從節(jié)點( BACKUP )配置文件

拷貝主節(jié)點的配置文件keepalived.conf，然后修改如下內(nèi)容：

state?MASTER?->?state BACKUP

priority?100?->?priority?90

keepalived的2個節(jié)點執(zhí)行如下命令，開啟轉(zhuǎn)發(fā)功能：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

4、啟動keepalive

<strong>先主后從分別啟動keepalivestrong>

service keepalived?start

5、驗證結(jié)果

實驗1

手動關(guān)閉192.168.0.18節(jié)點的nginx，service?nginx stop 在客戶端上去測試訪問??結(jié)果正常，不會出現(xiàn)訪問18節(jié)點，一直訪問的是28節(jié)點的內(nèi)容。

實驗2

手動重新開啟 192.168.0.18 節(jié)點的nginx，?service?nginx start 在客戶端上去測試訪問??結(jié)果正常，按照 rr 調(diào)度算法訪問18節(jié)點和28節(jié)點。

實驗3

測試 keepalived 的HA特性，首先在master上執(zhí)行命令 ip addr ，可以看到38的vip在master節(jié)點上的；這時如果在master上執(zhí)行?service?keepalived stop 命令，這時vip已經(jīng)不再master上，在slave節(jié)點上執(zhí)行 ip addr 命令可以看到 vip 已經(jīng)正確漂到slave節(jié)點，這時客戶端去訪問??訪問依然正常，驗證了 keepalived的HA特性。

lvs 介紹：