[Linux] LVS负载均衡群集+NAT部署

一、LVS负载均衡群集知识

1.1 群集的的定义及意义

Cluster，集群（也称群集）由多台主机构成，但对外只表现为一一个整体，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。

群集的作用：

对于企业服务的的性能提升一般会有两种方式：

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

横向扩展：通过增加服务器主机数量来应该高并发的场景

群集的目的 :

提高性能：计算密集应用。如天气预报，核试验模拟

降低成本：相对百万美元的超级计算机，价格便宜

提高可扩展性：只要增加集群节点即可

增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败

企业级群集的类型 :

负载均衡（LB）：提高应用系统的响应效率，处理更多的访问请求，减少延迟，提高并发和负载能力。同时也是如今企业运用最多的群集类型。
高可用（HA）：提高应用系统的可靠性，减少服务中断时间，确保服务的连续性
高性能运算（HPC）：将多台主机的硬件计算资源整合到一起实现分布式运用，比如云计算

二、LVS负载均衡的三种模式

群集的负载调度技术有三种工作模式：地址转换（NAT模式），直接路由（DR模式），IP隧道（IP-TUN）。对于商用来说，最常用是NAT模式和DR模式。

NAT（地址转换）

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。

优点：由于再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。

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。

工作原理：

(1)用户通过Internet DNS服务器在我们的负载均衡设备上解析为外网地址。相对于真实的服务器，LVS外网IP也被称为VIP（虚拟IP地址）。通过访问VIP，用户可以连接到后端的真实服务器，所有这些对用户都是透明的。用户认为他正在访问真正的服务器，但不知道访问的VIP只是一个dispatcher.It目前尚不清楚后端真正的服务器在哪里以及其中有多少是真实的。

（2）用户向LVS负载均衡调度器（也是网关服务器）的外部网卡发送请求。此时LVS根据预先配置的算法选择后端的真实服务器（内网实际处理数据的web服务器），并将数据请求包转发给真实服务器。转发前，LVS改变数据报文的目的地址和目的端口，并将目的地址和目的端口改变为所选择的真实服务器的IP地址和对应端口。

(3)真实服务器向LVS调度器返回响应数据包。调度员收到响应数据包后，将源地址和源端口更改为VIP和调度员对应的端口。当更改完成时，调度器将响应数据包发送回终端用户。此外，由于LVS调度程序有一个连接哈希表，连接请求和传输信息都记录在该表中。当同一连接的下一个数据包发送到调度器时，可以直接从哈希表中查找到上一个连接记录，并将记录的信息发送到调度器。

DR（直接路由）

特点：调度器只根据调度算法接收客户端的请求，并将其转发给节点服务器。节点服务器处理完请求后直接向客户端响应，已经响应的数据包不经过dispatcher.In DR模式下，调度器和后端服务器必须在同一个局域网中，并且VIP地址必须在调度器和所有后端服务器之间共享。性能高于NAT模式调度器和节点服务器使用私有IP与同一局域网中的节点服务器进行通信。

工作原理：

（1）用户向Director服务器（负载均衡器）发送请求，请求的数据包（源IP为CIP，目标IP为VIP）到达内核空间。

(2)由于Director服务器和real服务器在同一网络中，通过二层的数据链路层进行传输。内核空间确定所述数据包的目标IP为本地IP。此时，IPVS比较数据包请求的业务是否为集群业务。在那种情况下，重新打包数据包并将源MAC地址更改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址更改为RIP的MAC地址。如果源和目的IP地址没有改变，则将数据包发送到真实服务器。

(3)当真实服务器检测到请求报文的MAC地址为自己的MAC地址时，接收报文，重新打包报文(源IP地址为VIP，目标IP为CIP)，通过lo接口将响应报文发送到物理网卡，真实服务器直接向客户端发送响应消息。

TUN（IP隧道）

TUN(IP隧道) 架构类似于DR，但节点服务器分散在Internet上的不同地方，都具有独立的公共IP，并通过专用IP隧道与调度器通信。

采用开放的网络结构，负载调度器只作为客户端访问入口，每个节点通过负载调度器传输压力小于NAT。

服务器节点分散在Internet上的不同位置，具有独立的公共IP地址，并通过专用IP隧道和负载调度器相互通信。

缺点：成本很高。

该模型常用于特殊场景，如在全国范围内分布节点服务器，以防止物理攻击（地震、战争等）。).为灾难做好准备。

(1)当用户请求到达Director服务器时，请求的数据包首先被移动到内核空间优先路由链。此时源IP为CIP，目标IP为VIP。

(2)PREROUTING确认数据包的目标IP为本机，并将数据包转发到输入链。

(3)IPVS比较数据包请求的服务是否足以为集群服务。在这种情况下，ip数据包在请求数据包的头部被封装一次，并且封装的数据包的源IP是DIP和目标IP是RIP.それをPOSTROUTINGに送信しますCHAIN.At 本次源IP为DIP，目标IP为RIP

(4)POSTROUTING chain根据最新封装的IP报文向RS发送数据报文(由于在外部封装中多了一层IP头，此时可以理解为是通过隧道发送的)。

(5)RS收到数据包后，RS检测到是自己的IP地址。执行完解封装操作后，去掉最外层的IP后，可以看到里面还有一层IP头，目标是自己的LO接口VIP，此时RS会处理这个请求。程完成后，通过lo接口发送到eth0网卡，并通过出线。源IP地址为VIP，目标IP为CIP。

(6)响应消息到达客户端。

2.2 LVS的负载调度算法

固定调度算法：rr, wrr， dh，sh

rr：轮询算法（Round Robin）

请求分配给不同的RS节点在turn.distributed.It 它适用于所有RS节点的处理性能接近的情况。

将接收到的访问请求的安装顺序依次分配给集群中的每个节点（真实服务器），并平等对待每个服务器，而不考虑实际连接数和服务器上的系统负载。

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）

源地址为关键字查找--个静态hash表来获得需要的RS。

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。

三、LVS部署前

3.1 ipvsadm 工具选项说明

pvsadm的选项	作用
-A	添加虚拟服务器
-D	删除整个虚拟服务器
-s	指定负载调度算法（轮询：rr、加权轮询：wrr、最少连接：lc、加权最少连接：wlc）
-a	表示添加真实服务器（节点服务器）
-d	删除某一个节点
-t	指定 VIP地址及 TCP端口
-r	指定 RIP地址及 TCP端口
-m	表示使用 NAT群集模式
-g	表示使用 DR模式
-i	表示使用 TUN模式
-w	设置权重（权重为 0 时表示暂停节点）
-p 60	表示保持长连接60秒（默认关闭连接保持）
-l	列表查看 LVS 虚拟服务器（默认为查看所有）
-n	以数字形式显示地址、端口等信息，常与“-l”选项组合使用。ipvsadm -ln

3.2 ip_vs通用模块

ls /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs

 modprobe ip_vs     //手动加载 ip_vs 模块
 
 cat /proc/net/ip_vs    //查看当前系统中ip_vs模块的版本信息

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

四、 LVS负载均衡-NAT模式的部署

4.1 NAT模式实验部署操作前的准备设计以及需求

实验需求

通过NAT模式使外网客户机能够访问到相关的web服务，并且LVS调度器使内网中的web服务器达到负载均衡的效果。此外NFS共享存储为web服务提供更大的存储空间

实验设备准备

需要五台虚拟机（一台web1服务器，一台web2服务器，一台负载均衡调度器，一台NFS共享存储机，一台外网客户机做测试作用）

各设备的IP设置如下：

负载调度器：内网关 ens33：192.168.136.100，外网关 ens36：12.0.0.100
Web节点服务器1：192.168.136.120
Web节点服务器2：192.168.136.130
NFS服务器：192.168.136.110
客户端：12.0.0.66

4.2 NAT模式实验部署操作步骤

第一步：部署共享服务（主机IP：192.168.136.110）

 95  systemctl stop firewalld.service
   96  systemctl disable firewalld.service
   97  setenforce 0
   98  yum install nfs-utils rpcbind -y
   99  systemctl start rpcbind.service
  100  systemctl start nfs.service
  101  systemctl enable nfs.service
  102  systemctl enable rpcbind.service
  103  mkdir -p /var/www/html/{cxk,xhz}
  104  cd /var/www/html/
  105  ls
  106  echo 'this is cxk_web01!' >cxk/test.html
  107  echo 'this is xhz_web02!' >xhz/test.html
  108  cat cxk/test.html 
  109  cat xhz/test.html 
  110  vim /etc/exports
  111  systemctl enable --now rpcbind nfs
  112  showmount -e
  113  systemctl stop firewalld
  114  setenforce 0
  115  showmount -e
  116  systemctl enable --now rpcbind nfs
  117  showmount -e
  118  vim /etc/exports
  119  systemctl status rpcbind.service 
  120  systemctl status nfs
  121  showmount -e
  122  exportfs -a
  123  showmount -e

第二步：配置节点服务器（192.168.136.120 192.168.136.130）

两台web节点服务器相同的操作：

77  systemctl restart network.service
   78  systemctl disable --now firewalld
   79  setenforce 0
   80  showmount -e 192.168.136.110
   81  cd /etc/yum.repos.d/
   82  ls
   83  mkdir bak
   84  mv *.repo bak
   85  rz -E
   86  ls
   87  yum -y install nginx
   88  vim /etc/fstab 
   89  mount -a
   90  df -h
   91  ls
   92  ls /usr/share/nginx/html/
   93  cat te
   94  ls /usr/share/nginx/html/
   95  cat /usr/share/nginx/html/test.html 
   96  vim /etc/nginx/nginx.conf 
   97  systemctl restart nginx
   98  vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
   99  systemctl restart network nginx

web1节点服务器的后续操作：

web2节点服务器的后续操作：

第三步：配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.136.100，外网关 ens36：12.0.0.100）

101  cd /etc/sysconfig/network-scripts/
  102  ls
  103  ip a
  104  cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens34
  105  ls
  106  vim ifcfg-ens34
  107  vim ifcfg-ens33
  108  ls
  109  systemctl restart network
  110  ip a
  111  vim /etc/sysctl.d/
  112  vim /etc/sysctl.d
  113  vim /etc/sysctl.conf 
  114  sysctl -p
  115  modprobe ip_vs
  116  cat /proc/net/ip_vs
  117  yum -y install ipvsadm.x86_64 
  118  cd /etc/yum.repos.d/
  119  ls
  120  vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
  121  cd /etc/sysconfig/
  122  vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
  123  systemctl restart network
  124  yum -y install ipvsadm.x86_64 
  125  vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
  126  systemctl restart network
  127  ip a
  128  systemctl start ipvsadm.service 
  129  systemctl status ipvsadm.service 
  130  ipvsadm-save /etc/sysconfig/ipvsadm
  131  systemctl start ipvsadm.service 
  132  ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
  133  systemctl start ipvsadm.service 
  134  ipvsadm -C
  135  ipvsadm -ln
  136  ipvsadm -A -t 12.0.0.100 -s rr
  137  ipvsadm -A -t 12.0.0.100:80 -s rr
  138  ipvsadm -ln
  139  ipvsadm -a -t 12.0.0.100:80 -r 192.168.136.120:80 -m
  140  ipvsadm -a -t 12.0.0.100:80 -r 192.168.136.130:80 -m
  141  ipvsadm -ln
  142  ipvsadm
  143  ipvsadm -ln
  144  ls /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs
  145  cat /proc/net/ip_vs

保存LVS的配置策略以及删除策略的方法：

ipvsadm-save > /opt/ipvsadm						#保存策略
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
ipvsadm -d -t 12.0.0.100:80 -r 192.168.136.120:80				#删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.100:80									#删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm										#停止服务（清空策略）
systemctl start ipvsadm										#启动服务（根据/etc/sysconfig/ipvsadm重建配置）
ipvsadm-restore < /opt/ipvsadm					            #恢复LVS 策略




 134  ipvsadm -C
  135  ipvsadm -ln
  136  ipvsadm -A -t 12.0.0.100 -s rr
  137  ipvsadm -A -t 12.0.0.100:80 -s rr
  138  ipvsadm -ln
  139  ipvsadm -a -t 12.0.0.100:80 -r 192.168.136.120:80 -m
  140  ipvsadm -a -t 12.0.0.100:80 -r 192.168.136.130:80 -m
  141  ipvsadm -ln
  142  ipvsadm
  143  ipvsadm -ln