LVS负载均衡群集——NAT地址转换

一、集群与分布式
- 1.1 集群的含义
- 1.2 LVS模型
- 1.3系统性能扩展方式
- 1.4 群集的三种类型
- - 1.4.1 负载均衡群集
  - 1.4.2高可用群集
  - 1.4.3高性能运算群集
- 1.5分布式系统
- 1.6 集群和分布式
- 1.7 集群设计原则
- 1.8集群设计实现
- - 1.8.1基础设施层面
- 1.8.2业务层面
- 1.9 负载均衡群集架构
二、负载均衡群集工作模式分析
- 1、NAT模式
- 2、TUN模式
- 3、DR模式
- 4、三种工作模式的区别
三、LVS的负载调度算法
- 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）
- - IP_Hash
  - url_hash
  - fair
四、ipvsadm工具
五、NAT模式LVS负载均衡群集部署
- 环境配置
- 5.1部署共享存储（NFS服务器：192.168.61.11）
- 5.2节点Web服务器
- - 第一台（192.168.61.22）
  - 第二台（192.168.61.33）
- 5.3 负载调度器
- 5.4 Windows客户机

一、集群与分布式

1.1 集群的含义

Cluster，集群、群集,为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统

由多台主机构成，但对外只表现为一个整体

1.2 LVS模型

1.3系统性能扩展方式

Scale UP： 垂直扩展，向上扩展,增强，性能更强的计算机运行同样的服务

Scale Out： 水平扩展，向外扩展,增加设备，并行地运行多个服务调度分配问题，Cluster

垂直扩展不再提及：

随着计算机性能的增长，其价格会成倍增长

单台计算机的性能是有上限的，不可能无限制地垂直扩展，多核CPU意味着即使是单台计算机也可以并行的。那么，为什么不一开始就并行化技术？

1.4 群集的三种类型

负载均衡群集

高可用群集

高性能运算群集

1.4.1 负载均衡群集

LB： Load Balancing，负载均衡，多个主机组成，每个主机只承担一部分访问请求

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

LB的负载分配依赖于主节点的分流算法

1.4.2高可用群集

HA： High Availiablity，高可用，避免 SPOF（single Point Of failure）

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

HA的工作方式包括双工和主从两种模式

1.4.3高性能运算群集

HPC： High-performance computing，高性能

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

1.5分布式系统

分布式存储：将数据分散存储在多台独立的设备上。Ceph，GlusterFS，FastDFS，MogileFS
分布式计算：将该应用分解成许多小的部分，分配给多台计算机进行处理。 hadoop，Spark

分布式常见应用

分布式应用-服务按照功能拆分，使用微服务（单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值服务）分布式静态资源--静态资源放在不同的存储集群上分布式数据和存储--使用key-value缓存系统分布式计算--对特殊业务使用分布式计算，比如Hadoop集群

1.6 集群和分布式

分布式是以缩短单个任务的执行时间来提升效率的，而集群则是通过提高单位时间内执行的任务数来提升效率。

集群： 同一个业务系统，部署在多台服务器上。集群中，每一台服务器实现的功能没有差别，数据和代

码都是一样的。

分布式： 一个业务被拆成多个子业务，或者本身就是不同的业务，部署在多台服务器上。分布式中，每

一台服务器实现的功能是有差别的，数据和代码也是不一样的，分布式每台服务器功能加起来，才是完

整的业务。

PS: 对于大型网站，访问用户很多，实现一个群集，在前面部署一个负载均衡服务器，后面几台服务器完成同一业务。如果有用户进行相应业务访问时，负载均衡器根据后端哪台服务器的负载情况，决定由给哪一台去完成响应，并且一台服务器垮了，其它的服务器可以顶上来。分布式的每一个节点，都完成不同的业务，如果一个节点垮了，那这个业务可能就会失败

1.7 集群设计原则

可扩展性—集群的横向扩展能力
可用性—无故障时间 (SLA service level agreement)
性能—访问响应时间
容量—单位时间内的最大并发吞吐量(C10K 并发问题)

1.8集群设计实现

1.8.1基础设施层面

提升硬件资源性能—从入口防火墙到后端 web server 均使用更高性能的硬件资源

多域名—DNS 轮询A记录解析

多入口—将A记录解析到多个公网IP入口

多机房—同城+异地容灾

CDN(Content Delivery Network)—基于GSLB(Global Server Load Balance)实现全局负载均衡，如：DNS

1.8.2业务层面

分层：安全层、负载层、静态层、动态层、(缓存层、存储层)持久化与非持久化

分割：基于功能分割大业务为小服务

分布式：对于特殊场景的业务，使用分布式计算

1.9 负载均衡群集架构

第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）
第二层，服务器池（Server Pool）
第三层，共享存储（Share Storage）

二、负载均衡群集工作模式分析

负载均衡群集是目前企业用得最多的群集类型

群集的负载调度技术有3种工作模式

1、NAT模式

地址转换

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，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
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

2、TUN模式

IP隧道

IP Tunnel,简称TUN模式
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Internet连接直接回应客户机，而不再经过负载调度器
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

3、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，但各节点并不是分散在各地，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

4、三种工作模式的区别

工作模式	NAT模式	TUN模式	DR模式
server number（节点数量）	low 10-20	high 100	hign 100
真实网关	负载调度器	自由路由器	自由路由器
IP地址	公网+私网	公网	私网
优点	安全性高	安全、速度快	性能最好
缺点	效率低、压力大	需要安全隧道、贵	不能跨越LAN（局域网）

三、LVS的负载调度算法

轮询（Round Robin）

将收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)
均等地对待每台服务器，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并且分配的请求越多
这样可以保证性能高的节点承担更多请求。

最少连接（Least Connections）

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
如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好的均衡负载

加权最少连接（Weighted Least Connections）

在服务器节点的性能差异较大的情况下，调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重
权重较高的节点将承担更大比例的活动连接负载。

IP_Hash

根据请求来源的IP地址进行Hash计算，得到后端服务器

这样来自同一个IP的请求总是会落到同一台服务器上处理，以致于可以将请求上下文信息存储在这个服务器上

url_hash

按访问url的hash结果来分配请求，使每个url定向到同一个后端服务器

后端服务器为缓存时比较有效

fair

采用的不是内建负载均衡使用的轮换的均衡算法

而是可以根据页面大小、加载时间长短智能的进行负载均衡

也就是根据后端服务器时间来分配用户请求，响应时间短的优先分配

四、ipvsadm工具

ipvsadm功能与选项说明

选项	功能
-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
-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

五、NAT模式LVS负载均衡群集部署

LVS调度器作为Web 服务器池的网关，LVS具有两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr）调度算法

环境配置

主机	操作系统	IP地址	工具/软件/安装包
负载均衡器	CentOS7	内网：192.168.61.44（ens33）、外网：12.0.0.1	ipvsadm
NFS服务器	CentOS7	192.168.61.11	rpcbind、nfs-utils
Web节点服务器1	CentOS7	192.168.61.22	rpcbind、nfs-utils、httpd
Web节点服务器2	CentOS7	192.168.61.33	rpcbind、nfs-utils、httpd
客户端	Windows10	12.0.0.12	——————

5.1部署共享存储（NFS服务器：192.168.61.11）

NFS 是一种基于 TCP/IP 传输的网络文件系统协议，最初由 Sun 公司开发。通过使用 NFS 协议，客户机可以像访问本地目录一样访问远程服务器中的共享资源。对于大多数负载均衡群集来说，使用 NFS 协议来共享数据存储是比较常见的做法，NFS 也是 NAS 存储设备必然支持的一种协议。
NFS 服务的实现依赖于 RPC（Remote Process Call，远端过程调用）机制，以完成远程到本地的映射过程。在 CentOS 7 系统中，需要安装 nfs-utils、rpcbind 软件包来提供 NFS 共享服务，前者用于 NFS 共享发布和访问，后者用于 RPC 支持

1. #关闭防火墙systemctl stop firewalldsetenforce 0
2. #安装nfs服务yum install nfs-utils rpcbind -y
3. #新建目录，并创建站点文件cd /opt/mkdir kiro dhcecho "this is kiro" >kiro/index.htmlecho "this is dhc" >dhc/index.html
4. #开启服务systemctl start rpcbindsystemctl start nfs
5. #授权chmod 777 kiro/ dhc/
6. #设置共享策略vim /etc/exports/usr/share *(ro,sync)  ##要共享的目录 _*代表允许所有网络端访问/opt/yxp 192.168.61.0/24(rw,sync)  ##rw可读写权限/opt/dhc 192.168.61.0/24(rw,sync)  7. #发布服务systemctl restart nfsexportfs -rv

关闭防火墙

安装nfs服务

新建目录，并创建站点文件

开启服务

授权

设置共享策略

发布服务

5.2节点Web服务器

第一台（192.168.61.22）

1. #关闭防火墙systemctl stop firewalldsetenforce 0
2. #安装httpdyum install -y httpd
3. #查看nfs服务showmount -e 192.168.61.11
4. #挂载站点#法一：临时挂载dfcat /var/www/html/index.htmlmount 192.168.61.11:/opt/yxp /var/www/html/#法二：永久挂载vim /etc/fstab192.168.61.11:/opt/kiro/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 mount -a5. #开启httpd服务systemctl start httpd
6. #指定网关   负载调度器ipvim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 GATEWAY=192.168.61.44#DNS1=8.8.8.8
7. #重启网络服务systemctl restart network

关闭防火墙

安装httpd

查看nfs服务

挂载站点,临时挂载

永久挂载

开启httpd服务

指定网关

重启网络服务

第二台（192.168.61.33）

1. #关闭防火墙systemctl stop firewalldsetenforce 0
2. #安装httpdyum install -y httpd
3. #查看nfs服务showmount -e 192.168.61.11
4. #挂载站点#法一：临时挂载mount 192.168.61.11:/opt/dhc /var/www/html/dfcat /var/www/html/index.html#法二：永久挂载vim /etc/fstab192.168.61.11:/opt/dhc/  /var/www/html/        nfs     defaults,_netdev 0 0 mount -a
5. #开启httpd服务systemctl start httpd
6. #指定网关vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 GATEWAY=192.168.61.44#DNS1=8.8.8.8
7. #重启网络服务systemctl restart network

关闭防火墙

安装httpd

查看nfs服务

临时挂载站点

永久挂载

开启httpd服务

指定网关

重启网络服务

5.3 负载调度器

内网：192.168.61.44(ens33) 外网卡：12.0.0.1(ens38)

1. #关闭防火墙systemctl stop firewalldsetenforce 0
2. #安装ipvsadmyum install -y ipvsadm*3. #添加一块网卡，我这里是ens38，配置网卡，重启网络cd /etc/sysconfig/network-scripts/cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens38ifconfig ens38:12.0.0.1vim ifcfg-ens38去掉网关、UUID、修改IPvim ifcfg-ens33去掉网关systemctl restart network
4. #打开路由转发功能vim /etc/sysctl.confnet.ipv4.ip_forward = 1 sysctl -p
5. #防火墙做策略#查看策略iptables -nL -t nat#清空策略iptables -F#添加策略iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.61.0/24 -o ens38 -j SNAT --to 12.0.0.1#查看策略iptables -nL -t nat
6. #加载LVS内核模块modprobe ip_vscat /proc/net/ip_vs
7. #开启ipvsadm服务ipvsadm-save >/etc/sysconfig/ipvsadmsystemctl start ipvsadm.service
8. #清空策略ipvsadm -C
9. #制定策略#指定IP地址 外网的入口  -s rr  轮询ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr#先指定虚拟服务器再添加真实服务器地址，-r:真实服务器地址 -m指定nat模式ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.61.22:80 -mipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.61.33:80 -m#开启服务ipvsadm
10. 查看策略ipvsadm -ln

关闭防火墙

安装ipvsadm

添加一块网卡，我这里是ens38，配置网卡

打开路由转发功能

防火墙做策略

开启路由功能，刷新

开启ipvsadm服务

清空策略

制定策略

查看策略

5.4 Windows客户机

修改网卡信息

连通性测试

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