LVS负载均衡群集部署之——NAT模式部署
作者：互联网
一、企业群集应用概述
1、群集的含义
• 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、问题及解决方法
问题：
互联网应用中，随着站点对硬件性能，响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求越来越高，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用的要求
解决方法：
• 使用价格昂贵的小型机、大型机
• 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集
在企业中常用的一种群集技术–LVS（Linux virtual server,linux虚拟服务器）
注：通过整合多台服务器，使用LVS来达到服务器的高可用和负载均衡，并以同一个IP地址对外提供相同的服务
3、根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型
• 负载均衡群集
• 高可用群集
• 高性能运算群集
3.1 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的负载分担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 "反向代理 "
3.2 高可用群集（High Availability Cluster）
• 提高应用系统的可靠性、尽可能的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
3.3 .高性能运算群集（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，例如 “云计算” “网路计算”等
二、负载均衡群集架构
1、负载均衡的结构
• 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
• 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
• 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
2、负载均衡群集工作模式分析
负载均衡群集是目前企业用的最多的群集类型
群集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
2.1 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路，安全性要优于其他两种方式
原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包发送给负载均衡器，负载均衡器在接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端
优点：集群中的服务器可以使用任何支持TCP/IP的操作系统，只要负载均衡器有一个合法的IP地址
缺点：扩展性有限，当服务器节点增长过多时，由于所有的请求和应答都需要经过负载均衡器，因此负载均衡器将成为整个系统的瓶颈
2.2、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lnternet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
原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求报文封装一层IP隧道（T-IP）转发到真实服务器（RS）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器
优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，也能处理很巨大的请求量
缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持“IP Tunneling”
2.3、 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
原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标MAC地址改成后端真实服务器的MAC地址（R-MAC）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器
优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，也能处理很巨大的请求量
缺点：需要负载均衡器与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上，必须在同一个局域网环境
3、关于LVS虚拟服务器
Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目，由我国的章文嵩 博士在 1998 年 5 月创建，官方站点位于 http://www.linuxvirtualserver.org/。LVS 实际 上相当于基于 IP 地址的虚拟化应用，为基于 IP 地址和内
容请求分发的负载均衡提出了一种 高效的解决方法。
LVS 现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调用。 在 CentOS 7 系统中，以下操作可以手动加载 ip_vs 模块，并查看当前系统中 ip_vs 模块的 版本信息。
[root@cm ~]# modprobe ip_vs [root@cm ~]# cat /proc/net/ip_vs IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
4、LVS 的负载调度算法
4.1 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），均等地对待每一台服务器，而不是服务器实际的连接数和系统负载
4.2 加权轮询（Weighted Round Robin）
根据调度设置的权重值来分发请求，权重值高的节点优先获得任务，分配的请求数越多
保证性能强的服务器承担更多的访问流量
4.3 最少连接 （Least Connections）
根据真实服务器已建立的连接进行分配，将收到的访问请求优先分配给连接数最少的节点
4.4 加权最少连接（Weighted Least Connections）
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
性能较高的节点承担更大比例的活动连接负载
5、使用 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 群集 的 运 行状 态 。 在 CentOS 7 系 统 中 ， 需 要 手动 安装 ipvsadm.x86_64 0:1.27-7.el7 软件包。
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 |
常用术语解释：
CIP：Client IP，表示的是客户端 IP 地址。
VIP：Virtual IP，表示负载均衡对外提供访问的 IP 地址，一般负载均衡 IP 都会通过 Virtual IP 实现高可用。
RIP：RealServer IP，表示负载均衡后端的真实服务器 IP 地址。
DIP：Director IP，表示负载均衡与后端服务器通信的 IP 地址。
CMAC：客户端的 MAC 地址，准确的应该是 LVS 连接的路由器的 MAC 地址。
VMAC：负载均衡 LVS 的 VIP 对应的 MAC 地址。
DMAC：负载均衡 LVS 的 DIP 对应的 MAC 地址。
RMAC：后端真实服务器的 RIP 地址对应的 MAC 地址。
三、NAT模式 LVS负载均衡群集部署的操作步骤
实验环境准备：
负载调度器：内网关 ens33：192.168.229.90，外网关 ens36：12.0.0.1
Web节点服务器1：192.168.229.80
Web节点服务器2：192.168.229.70
NFS服务器：192.168.229.60
客户端：12.0.0.18
1.部署共享存储（NFS服务器：192.168.229.60）
systemctl stop firewalld.service systemctl disable firewalld.service setenforce 0 yum install nfs-utils rpcbind -y systemctl start rpcbind.service systemctl start nfs.service systemctl enable rpcbind.service systemctl enable nfs.service mkdir /opt/ly /opt/weq chmod 777 /opt/ly /opt/weq echo 'this is ly web!' > /opt/ly/index.html echo 'this is weq web!' > /opt/weq/index.html vim /etc/exports /opt/ly 192.168.229.0/24(rw,sync) /opt/weq 192.168.229.0/24(rw,sync) --发布共享--- exportfs -rv
2、配置节点服务器（192.168.229.80、192.168.229.70）
systemctl stop firewalld.service systemctl disable firewalld.service setenforce 0 yum install httpd -y systemctl start httpd.service systemctl enable httpd.service yum install nfs-utils rpcbind -y showmount -e 192.168.229.60 systemctl start rpcbind.service systemctl start nfs.service systemctl enable rpcbind.service systemctl enable nfs.service --192.168.229.80--- mount.nfs 192.168.229.60:/opt/ly /var/www/html vim /etc/fstab 192.168.229.60:/opt/kgc /myshare nfs defaults,_netdev 0 0 另一台节点服务器挂载如下： --192.168.229.70--- mount.nfs 192.168.229.70:/opt/weq /var/www/html vim /etc/fstab 192.168.229.70:/opt/benet /myshare nfs defaults,_netdev 0 0
3、配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.229.90，外网关 ens36：12.0.0.1）
systemctl stop firewalld.service systemctl disable firewalld.service setenforce 0
3.1 配置SNAT转发规则
vim /etc/sysctl.conf net.ipv4.ip_forward = 1 #添加ip路由转发 或 echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward sysctl -p iptables -t nat -F iptables -F iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.80.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1
3.2 加载LVS内核模块
modprobe ip_vs #加载 ip_vs模块 cat /proc/net/ip_vs #查看 ip_vs版本信息 ##加载全部模块 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
3.3 安装ipvsadm 管理工具
yum -y install ipvsadm --启动服务前须保存负载分配策略--- ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm 或者 ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm systemctl start ipvsadm.service
3.4 配置负载分配策略（NAT模式只要在服务器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
ipvsadm -C #清除原有策略 ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.10:80 -m [-w 1] #添加真实ip ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.20:80 -m [-w 1] #添加真实ip ipvsadm #启用策略 ipvsadm -ln #查看节点状态，Masq代表 NAT模式 ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm #保存策略 ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.10:80 -m [-w 1] #删除群集中某一节点服务器 ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80 #删除整个虚拟服务器 systemctl stop ipvsadm #停止服务（清除策略） systemctl start ipvsadm #启动服务（重建规则） ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm #恢复LVS 策略
4、测试效果
网络设置里面网关需要设置为网关服务器
在一台IP为12.0.0.18的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.1/ ，不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点。
四、实例操作：NAT模式 LVS负载均衡群集部署
1、环境准备
1.1 网关服务器网卡配置（在虚拟机设置里面添加新网卡），内网关 ens33：192.168.229.90，外网关 ens36：12.0.0.1
1.2 web节点服务器以及NFS服务器的网关修改为负载调度器的内网网关ens33:192.168.229.90
Web节点服务器1：192.168.229.80
Web节点服务器2：192.168.229.70
NFS服务器：192.168.229.60
1.3 客户端IP和网关设置
客户端：12.0.0.18
1.4 关闭所有设备的防火墙和SElinux
2、部署共享存储（NFS服务器：192.168.229.60）
2.1 查看是否安装rpcbind、nfs-util并设置共享目录
[root@cm ~]# rpm -q rpcbind nfs-utils rpcbind-0.2.0-42.el7.x86_64 nfs-utils-1.3.0-0.48.el7.x86_64 [root@cm ~]# mkdir -p /opt/ly /opt/weq [root@cm ~]# chmod 777 /opt/ly /opt/weq [root@cm ~]# echo '<html><body><h1>This is ly web！</h1></body></html>' > /opt/ly/index.html [root@cm ~]# echo '<html><body><h1>This is weq web！</h1></body></html>' > /opt/weq/index.html [root@cm ~]# ll /opt/ly /opt/weq /opt/ly: 总用量 4 -rw-r--r-- 1 root root 53 8月 18 22:41 index.html /opt/weq: 总用量 4 -rw-r--r-- 1 root root 54 8月 18 22:41 index.html
[root@cm ~]# vim /etc/exports /opt/ly 192.168.229.0/24(rw,sync) /opt/weq 192.168.229.0/24(rw,sync)
2.2 启动NFS服务，发布NFS共享目录并查看
[root@cm ~]# systemctl start rpcbind [root@cm ~]# systemctl start nfs [root@cm ~]# systemctl enable rpcbind [root@cm ~]# systemctl enable nfs Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/nfs-server.service to /usr/lib/systemd/system/nfs-server.service. [root@cm ~]# netstat -natp | grep rpcbind [root@cm ~]# netstat -natp | grep 111 tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN 1/systemd tcp6 0 0 :::111 :::* LISTEN 1/systemd [root@cm ~]# exportfs -rv exporting 192.168.229.0/24:/opt/weq exporting 192.168.229.0/24:/opt/ly [root@cm ~]# showmount -e Export list for 192.168.229.60: /opt/weq 192.168.229.0/24 /opt/ly 192.168.229.0/24
3、配置节点服务器（192.168.229.80、192.168.229.70）
3.1 配置节点服务器1（192.168.229.80）
[root@192 ~]# yum -y install httpd [root@192 ~]# systemctl start httpd.service [root@192 ~]# systemctl enable httpd.service Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service to /usr/lib/systemd/system/httpd.service. [root@192 ~]# rpm -q rpcbind nfs-utils rpcbind-0.2.0-42.el7.x86_64 nfs-utils-1.3.0-0.48.el7.x86_64 [root@192 ~]# showmount -e 192.168.229.60 Export list for 192.168.229.60: /opt/weq 192.168.229.0/24 /opt/ly 192.168.229.0/24 [root@192 ~]# netstat -natp | grep 111 tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN 1/systemd tcp6 0 0 :::111 :::* LISTEN 1/systemd [root@192 ~]# mount.nfs 192.168.229.60:/opt/ly /var/www/html/ [root@192 ~]# ls /var/www/html/ index.html [root@192 ~]# cat /var/www/html/index.html <html><body><h1>This is ly web！</h1></body></html>
3.2 配置节点服务器2（192.168.229.70）
[root@localhost ~]# yum -y install httpd [root@localhost ~]# systemctl start httpd.service [root@localhost ~]# systemctl enable httpd.service Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/httpd.service to /usr/lib/systemd/system/httpd.service. [root@localhost ~]# rpm -q rpcbind nfs-utils rpcbind-0.2.0-42.el7.x86_64 nfs-utils-1.3.0-0.48.el7.x86_64 [root@localhost ~]# showmount -e 192.168.229.60 Export list for 192.168.229.60: /opt/weq 192.168.229.0/24 /opt/ly 192.168.229.0/24 [root@localhost ~]# netstat -natp | grep 111 tcp 0 0 0.0.0.0:111 0.0.0.0:* LISTEN 1/systemd tcp6 0 0 :::111 :::* LISTEN 1/systemd [root@localhost ~]# mount.nfs 192.168.229.60:/opt/weq /var/www/html/ [root@localhost ~]# ls /var/www/html/ index.html [root@localhost ~]# cat /var/www/html/index.html <html><body><h1>This is weq web！</h1></body></html>
4、配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.229.90，外网关 ens36：12.0.0.1）
4.1 配置SNAT转发规则
[root@192 ~]# yum -y install iptables iptables-services [root@192 ~]# systemctl start iptables.service [root@192 ~]# vim /etc/sysctl.conf [root@192 ~]# sysctl -p net.ipv4.ip_forward = 1 [root@192 ~]# iptables -F [root@192 ~]# iptables -F -t nat [root@192 ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.229.0/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.1 [root@192 ~]# iptables -nL -t nat Chain PREROUTING (policy ACCEPT) target prot opt source destination Chain INPUT (policy ACCEPT) target prot opt source destination Chain OUTPUT (policy ACCEPT) target prot opt source destination Chain POSTROUTING (policy ACCEPT) target prot opt source destination SNAT all -- 192.168.229.0/24 0.0.0.0/0 to:12.0.0.1
4.2 加载LVS内核模块
[root@192 ~]# modprobe ip_vs [root@192 ~]# cat /proc/net/ip_vs IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
4.3 安装ipvsadm 管理工具并启动服务
[root@192 ~]# yum -y install ipvsadm [root@192 ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm [root@192 ~]# systemctl start ipvsadm.service
4.4 配置负载分配策略（NAT模式只要在服务器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
[root@192 ~]# ipvsadm -C [root@192 ~]# ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr [root@192 ~]# ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.229.80:80 -m [root@192 ~]# ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.229.70:80 -m [root@192 ~]# ipvsadm IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn TCP 192.168.229.90:http rr -> 192.168.229.70:http Masq 1 0 0 -> 192.168.229.80:http Masq 1 0 0 [root@192 ~]# ipvsadm -ln IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn TCP 12.0.0.1:80 rr -> 192.168.229.70:80 Masq 1 0 0 -> 192.168.229.80:80 Masq 1 0 0 [root@192 ~]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
5、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）
在一台IP为12.0.0.18的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.1/
总结：客户端访问负载调度器的外网网关，负载调度器将其转发至节点服务器处理，实现了负载均衡
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