集群的含义

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），相当于一台大型主机
群集是多个主机干同样的事情

纵向扩展和横向扩展

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对高并发的场景

解决高并发的方法

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
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。
在企业中常用的一种集群技术--LVS(Linux Virtual Server,Linux虚拟服务器)

三种类型的群集

负载均衡群集（Load Balance Cluster）（阿里云有一个SLB）

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

高可用群集（High Availability 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字段切换为主节点。例如，“故障切换” “双机热备”等

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” 、“并行运算”，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” “网络计算”等。

负载均衡的结构

第一层，负载调度器 （LOad Balancer或Director）
访问整个集群系统的唯一入口，对外使用所有服务器共有的VIP地址，也成为集群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平滑替换至备用调度器，确保高可用性
第二次，服务器池（Server Pool）
群集所提供的应用服务，由服务器池承担，其中某个节点具有独立的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（Server 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

负载均衡的工作模式分析

负载均衡是目前企业用的最多的集群类型
集群的负载调度技术有三种工作模式
- 地址转换（NAT）

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
服务器节点使用私网IP地址，与负载调度器位于同一物理网络，安全性要优于其他两种方式

IP隧道（TUN）

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

直接路由（DR）

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

小结

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
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分布式运行 云计算

负载均衡集群架构
负载调度器   通过VIP接收用户的请求，再通过调度算法确定要转发的节点服务器
服务器池中的节点服务器  通过RIP接收调度器转发来的请求，并处理请求进行相应
共享存储   为各个节点服务器提供稳定、一致的文件存取服务、比如NAS+NFS，文件服务器+NFS，分布式对象存储等存储设备

LVS三模式
NAT（地址转换） 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
由于再转发过程中做了地址转发，对于节点服务器安全性比其他模式较好
调度器至少要两个网卡，一个用于承载VIP用于接收客户端的请求，另一个用于使用私有IP再同一个局域网中连接节点服务器

DR（直接路由） 调度器只负责接收客户端的请求，并根据调度算法转发给节点服务器；节点服务器在处理完请求后是直接响应返回给客户端，响应的数据包不经过调度器
调度器于节点服务器使用私有IP在同一个局域网中与节点服务器相互通信
TUN（IP隧道）架构与DR相同，但是节点服务器分散在互联网各个位置，都要独立的公网IP，通过专用IP隧道与调度器相互通信

LVS虚拟服务器

LVS虚拟服务器介绍

**Linux Virtual Server：**

-   针对Linux内核开发的负载均衡
-   1998年5月，由我国的章文嵩博士创建
-   官方网站：[www.linuxvirtualserver.org/](https://link.juejin.cn?target=http%3A%2F%2Fwww.linuxvirtualserver.org%2F "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来一种高效的解决方法

LVS 相关术语

DS：Director Server。指的是前端负载均衡器。

RS：Real Server。节点服务器，后端真实的工作服务器。

VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。

DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。

RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。

CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

固定算法：rr，wrr，dh，sh

rr：轮询算法（Round Robin）

将请求依次分配给不同的RS节点，即RS节点中均摊分配。适合于RS所有节点处理性能接近的情况。
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）

以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、1blc

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 Connetcions）

-   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。

加载ip_vs模块

LVS现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调动。

在CentOS 7 系统中，手动加载 ip_vs 模块的命令如下：

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

LVS 所有的负载调度算法文件在 /usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/ 目录下

ipvsadm工具

ipvsadm是一个工具，同时它也是一条命令，用于管理LVS的策略规则。

ipvsadm是ipvs的管理器，需要yum安装。

ipvsadm工具的作用

LVS集群创建与管理：
创建虚拟服务器
添加、删除服务器节点
查看群集及节点情况
保存负载分配政策

ipvsadm命令选项

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)
-t	指定VIP地址及TCP端口（调度器使用）
-r	指定RIP地址及TCP端口（节点服务器使用）
-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），默认值为1
-p 60	表示保持长连接60秒。默认值就是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。-l需要在-n之前。ipvsadm -ln