一.LVS集群基本介绍

1.集群是什么

Cluster，集群、群集

由多台主机构成，但对外只表现为一个整体，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。

2.集群的类型

2.1 负载均衡群集（Load Balance Cluster)

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，将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点，从而缓解整个系统的负载压力。例如，“DNS轮询”“反向代理”等

2.2 高可用群集(High Availiablity Cluster)

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，双工即所有节点同时在线;主从则只有主节点在线，但当出现故障时从节点能自动切换为主节点。例如，”故障切换” “双机热备” 等

2.3 高性能运算群集(High Performance Computing Cluster)

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。例如“云计算”、“网格计算”

3.负载均衡集群的结构

第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）

访问整个群集系统的唯一入口，对外使用所有服务器共有的VIP地址，也称为群集IP地址。通常会配置主、备两台调度器实现热备份，当主调度器失效以后能够平滑替换至备用调度器，确保高可用性。负载均衡层

第二层，服务器池（Server Pool）

群集所提供的应用服务、由服务器池承担，其中每个节点具有独立的RIP地址（真实IP），只处理调度器分发过来的客户机请求。当某个节点暂时失效时，负载调度器的容错机制会将其隔离，等待错误排除以后再重新纳入服务器池。web应用层

第三层，共享存储（Share Storage）

为服务器池中的所有节点提供稳定、一致的文件存取服务，确保整个群集的统一性。共享存储可以使用NAS设备，或者提供NFS共享服务的专用服务器。

4.LVS负载均衡集群的三种工作模式

4.1 NAT地址转换模式

都走LVS，调度器有瓶颈

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。

4.2 DR直接路由模式

最常用！所有主机共享vip地址，不原路返回LVS调度器。web服务器在同一网段

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

4.3 TUNNEL隧道模式

需要买公网地址

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。

工作模式总结和比较：

5.LVS是什么？

LVS集群（Linux Virtual server）负载调度器，内核集成，章文嵩（花名正明）, 阿里的四层SLB(Server Load Balance)是基于LVS+keepalived实现。

LVS 官网：http://www.linuxvirtualserver.org/
阿里SLB和LVS：https://yq.aliyun.com/articles/1803、https://github.com/alibaba/LVS

整个SLB系统由3部分构成:四层负载均衡，七层负载均衡和控制系统

四层负载均衡，采用开源软件LVS (linux virtual server)，并根据云计算需求对其进行了定制化;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用2年;
七层负载均衡，采用开源软件Tengine;该技术已经在阿里巴巴内部业务全面上线应用3年多;·控制系统，用于配置和监控负载均衡系统;

工作原理：

VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS。LVS是内核级功能，工作在INPUT链的位置，将发往INPUT的流量进行“处理”

VS：Virtual Server，Director Server(DS), Dispatcher(调度器)，Load Balancer（lvs服务器）
RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)（真实服务器）
CIP：Client IP（客户机IP）
VIP：Virtual serve IP VS外网的IP
DIP：Director IP VS内网的IP
RIP：Real server IP （真实IP）

6.LVS的负载调度算法

固定调度算法

rr：轮询（Round Robin）

将收到的访问请求安装顺序轮流分配给群集指定各节点（真实服务器），均等地对待每一台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载。

wrr：加权轮询（Weighted Round Robin）

依据不同RS的权值分配任务。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）

以源地址为关键字查找--个静态hash表来获得需要的RS。

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。

动态调度算法

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。

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。

7.LVS的功能及组织架构

负载均衡的应用场景为高访问量的业务，提高应用程序的可用性和可靠性。

7.1 应用于高访问量的业务

如果您的应用访问量很高，可以通过配置监听规则将流量分发到不同的云服务器 ECS（Elastic Compute Service 弹性计算服务）实例上。此外，可以使用会话保持功能将同一客户端的请求转发到同一台后端ECS

7.2 扩展应用程序

可以根据业务发展的需要，随时添加和移除ECS实例来扩展应用系统的服务能力，适用于各种Web服务器和App服务器。

7.3 消除单点故障

可以在负载均衡实例下添加多台ECS实例。当其中一部分ECS实例发生故障后，负载均衡会自动屏蔽故障的ECS实例，将请求分发给正常运行的ECS实例，保证应用系统仍能正常工作

7.4 同城容灾（多可用区容灾）

为了提供更加稳定可靠的负载均衡服务，阿里云负载均衡已在各地域部署了多可用区以实现同地域容灾。当主可用区出现机房故障或不可用时，负载均衡仍然有能力在非常短的时间内（如：大约30s中断）切换到另外一个备可用区恢复服务能力；当主可用区恢复时，负载均衡同样会自动切换到主可用区提供服务。

使用负载均衡时，您可以将负载均衡实例部署在支持多可用区的地域以实现同城容灾。此外，建议您结合自身的应用需要，综合考虑后端服务器的部署。如果您的每个可用区均至少添加了一台ECS实例，那么此种部署模式下的负载均衡服务的效率是最高的。

8.ipvsadm 管理工具

ipvsadm 是在负载调度器上使用的 LVS 群集管理工具，通过调用 ip_vs 模块来添加、删除服务器节点，以及查看集群运行状态，在CentOS 7系统中，需安装软件包

[root@localhost ~]# yum -y install ipvsadm
[root@localhost ~]# ipvsadm -v
ipvsadm v1.27 2008/5/15 (compiled with popt and IPVS v1.2.1)

LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、删除服务器节点和保存负载分配策略。

ipvsadm 工具选项说明：

选项	解释
-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

9.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)

二.集群与分布式

1.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

2.集群与分布式介绍

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

三.实验：LVS负载均衡群集部署——NAT模式

实验环境：

负载调度器：内网关 lvs，ens33：192.168.79.240，外网关 ens36：12.0.0.1
Web服务器1：192.168.79.220
Web服务器2：192.168.79.230
NFS服务器：192.168.79.210
Windows客户端：12.0.0.12

在虚拟机设置里面添加新网卡ens36

部署共享存储（NFS服务器：192.168.79.210）:

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 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 zhuo lmz
echo "this is zhuo" > zhuo/index.html
echo "this is lmz" > lmz/index.html
4. #开启服务
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
5. #授权
chmod 777 zhuo/ lmz/
6. #设置共享策略
vim /etc/exports
/opt/zhuo 192.168.79.0/24(rw,sync)
/opt/lmz 192.168.79.0/24(rw,sync)
7. #发布服务
exportfs -rv

部署web服务器1（web服务器1：192.168.79.220）：

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. #安装httpd、nfs-utils和rpcbind程序
yum install -y httpd
yum install nfs-utils rpcbind -y
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.79.210
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
df
cat /var/www/html/index.html
mount 192.168.79.210:/opt/zhuo /var/www/html/
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.79.210:/opt/zhuo/ /var/www/html/ nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
5. #开启httpd服务并设置开机自启动
systemctl start httpd
systemctl enable httpd
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY=192.168.79.240
#DNS1=8.8.8.8
7. #重启网络服务
systemctl restart network

部署web服务器2（web服务器2：192.168.79.230）：

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. #安装httpd、nfs-utils和rpcbind程序
yum install -y httpd
yum install nfs-utils rpcbind -y
3. #查看nfs服务
showmount -e 192.168.79.210
4. #挂载站点
#法一：临时挂载
df
cat /var/www/html/index.html
mount 192.168.79.210:/opt/lmz /var/www/html/
#法二：永久挂载
vim /etc/fstab
192.168.79.210:/opt/lmz/ /var/www/html/ nfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
5. #开启httpd服务并设置开机自启动
systemctl start httpd
systemctl enable httpd
6. #指定网关
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY=192.168.79.240
#DNS1=8.8.8.8
7. #重启网络服务
systemctl restart network

部署负载调度服务器（ens33：192.168.79.240，ens36：12.0.0.1）：

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. #安装ipvsadm
yum install ipvsadm.x86_64 -y
3. #打开路由转发功能
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1
sysctl -p
4. #防火墙做策略
#清空策略
iptables -F
#添加策略
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.79.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.1
#查看策略
iptables -nL -t nat
5. #加载LVS内核模块
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
6. #开启ipvsadm服务
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
7. #清空策略
ipvsadm -C
8. #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 192.168.79.220:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.79.230:80 -m
#开启服务
ipvsadm
9. 查看策略
ipvsadm -ln

Windows客户机验证（Windows客户端：12.0.0.12）

浏览器中进行测试（不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点）

四.LVS-DR 集群工作原理

LVS-DR（Linux Virtual Server Director Server）工作模式，是生产环境中最常用的一种工作模式。

LVS-DR 模式，Director Server 作为群集的访问入口，不作为网关使用
节点 Director Server 与 Real Server 需要在同一个网络中，返回给客户端的数据不需要经过 Director Server。
为了响应对整个群集的访问，Director Server 与 Real Server 都需要配置 VIP 地址。

客户机发起请求，经过调度服务器（lvs），经过算法调度，去访问真实服务器（RS）

由于不原路返回，客户机不知道，真实主机的ip地址，

所以只能通过调度服务器的外网ip（vip）去反回报文信息。

实例解释：

第一次访问完整（不考虑实际问题）

客户端---->外网地址12.0.0.100 12.0.0.100---->客户端
#12.0.0.18-----客户端客户端会直接丢弃
对每台真实服务器配置外网地址 12.0.0.100
12.0.0.100------>客户端

问题：IP地址冲突

在LVS-DR负载均衡集群中，负载均衡器与节点服务器都要配置相同的VIP地址，在局域网中具有相同的IP地址。势必会造成各服务器ARP通信的紊乱

当ARP广播发送到LVS-DR集群时，因为负载均衡器和节点服务器都是连接到相同的网络上，它们都会接收到ARP广播
只有前端的负载均衡器进行响应，其他节点服务器不应该响应ARP广播

解决方法：

对节点服务器进行处理，使其不响应针对VIP的ARP请求
用虚接口lo:0承载VIP地址
设置内核参数arp_ ignore=1: 系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求

路由器发送ARP请求（广播）
ARP---->广播去找ip地址解析成mac地址
默认使用调度服务器上的外网地址（vip地址）响应，
需要在真实服务器上修改内核参数
使真实服务器只对自己服务器上的真实IP地址响应ARP解析。

第二次再有访问请求

RealServer返回报文（源IP是VIP）经路由器转发，重新封装报文时，需要先获取路由器的MAC地址，发送ARP请求时，Linux默认使用IP包的源IP地址（即VIP）作为ARP请求包中的源IP地址，而不使用发送接口的IP地址，路由器收到ARP请求后，将更新ARP表项，原有的VIP对应Director的MAC地址会被更新为VIP对应RealServer的MAC地址。路由器根据ARP表项，会将新来的请求报文转发给RealServer，导致Director的VIP失效

解决方法：

对节点服务器进行处理，设置内核参数arp_announce=2：系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址，而选择发送接口的IP地址

路由器上绑定了真实服务器1的mac信息，
#请求到达真实服务器
在真实服务器上修改内核参数
只对所有服务器真实网卡上的地址进行反馈，解析

五.LVS-DR 模式的特点

Director Server 和 Real Server 必须在同一个物理网络中。
Real Server 可以使用私有地址，也可以使用公网地址。如果使用公网地址，可以通过互联网对 RIP 进行直接访问。
所有的请求报文经由 Director Server，但回复响应报文不能经过 Director Server。
Real Server 的网关不允许指向 Director Server IP，即不允许数据包经过 Director S erver。
Real Server 上的 lo 接口配置 VIP 的 IP 地址。

六.实验：LVS负载均衡群集部署——DR模式

实验环境：

Web 服务器1：192.168.79.210
Web 服务器2：192.168.79.220

DR 负载调度服务器：192.168.79.230
vip（虚拟回环）：192.168.79.23
客户端：192.168.79.250

部署DR负载调度服务器（DR 负载调度服务器：192.168.79.230）：

1. #关闭防火墙
systemctl stop firewalld.service
setenforce 0
2. #安装ipvsadm工具
yum install ipvsadm.x86_64 -y
3. #配置虚拟IP地址（VIP：192.168.79.23）
cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0
vim ifcfg-ens33:0
#删除UUID，dns与网关，注意子网
NAME=ens33:0
DEVICE=ens33:0
IPADDR=192.168.79.23
NETMASK=255.255.255.255
4. #重启网络服务、启动网卡
systemctl restart network
ifup ifcfg-ens33:0
5. #调整/proc响应参数
#对于 DR 群集模式来说，由于 LVS 负载调度器和各节点需要共用 VIP 地址，应该关闭 Linux 内核的重定向参数响应服务器不是一台路由器，那么它不会发送重定向，所以可以关闭该功能
vi /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0
6. #刷新配置
sysctl -p
7. #加载模块
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
8. #配置负载分配策略，并启动服务
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
9. #清空ipvsadm，并做策略
##添加真实服务器-a 指定VIP地址及TCP端口-t 指定RIP地址及TCP端口 -r 指定DR模式-g
ipvsadm -C
ipvsadm -A -t 192.168.79.23:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.79.23:80 -r 192.168.79.210:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.79.23:80 -r 192.168.79.220:80 -g
10. #保存设置
ipvsadm
ipvsadm -ln
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm