群集概述

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。

使用群集的原因

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。（纵向扩容）
• 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。（横向扩容）

LVS群集技术：

• 在企业中常用的一种群集技术一LVS （Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器）
• 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。

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。

企业群集分类

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

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、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。

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自动切换为主节点。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”等。

负载均衡群集

负载均衡群集架构

第一层，负载调度器(Load Balancer或Director) 负载均衡层

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) WEB应用层

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) 确保多台服务器使用的是相同的资源

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。

（因为节点服务器的资源都是由NAS或NFS提供，所以NAS或NFS需要做主备、或分布式，从而实现高可用。）

负载均衡群集的工作模式

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三种工作模式：

• 1、地址转换（NAT模式）
• 2、IP隧道（IP-TUN）
• 3、直接路由（DR模式）

通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR模式。

NAT模式（地址转换）

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。
• 缺点：由于NAT的负载均衡器既作为用户的访问请求入口，也作为节点服务器响应请求的出口，承载两个方向的压力，调度器的性能会成为整个集群的瓶颈。

TUN模式（IP隧道）

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。承载的压力比NAT小。
• 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。
• 缺点：成本很高。
• 这种模式一般应用于特殊场景，比如将节点服务器分布在全国各地，防止被物理攻击（如地震、战争等），做灾备。

DR模式（直接路由）

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，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。承载的压力比NAT小。
• 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。

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。

LVS的负载调度算法

（1）固定调度算法：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。

（2）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 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。

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群集创建与管理：

• 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
• 保存负载分配策略

ipvsadm 命令选项说明：

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)
-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

LVS-NAT模式操作实例

实验内容：

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

实验环境：

一台NFS服务器： 192.168.20.10/24

两台WEB服务器： 192.168.20.20/24，192.168.20.100/24

一台LVS负载调度服务器（2块网卡）： 内网192.168.20.101/24（ens33)，外网12.0.0.254/24（ens36）

win10 客户机： 12.0.0.12/24

部署NFS共享存储服务(NFS服务器：192.168.20.10/24)

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld.service
[root@localhost ~]# systemctl disable firewalld.service
[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# yum install nfs-utils rpcbind -y

[root@localhost ~]# systemctl start rpcbind.service
[root@localhost ~]# systemctl start nfs.service
[root@localhost ~]# systemctl enable nfs.service

[root@localhost ~]# systemctl enable rpcbind.service
[root@localhost ~]# mkdir /opt/jlx /opt/can
[root@localhost ~]# chmod 777 /opt/jlx /opt/can
[root@localhost ~]# echo 'this is jlx web!' > /opt/jlx/index.html
[root@localhost ~]# echo 'this is can web!' > /opt/can/index.html
[root@localhost ~]# vim /etc/exports

/usr/share *(ro,sync)
/opt/jlx 192.168.20.0/24(rw,sync)
/opt/can 192.168.20.0/24(rw,sync)

--发布共享---
[root@localhost ~]# exportfs -rv
[root@localhost ~]# showmount -e

2.配置节点服务器（192.168.20.20、192.168.20.100）

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 192.168.20.10

systemctl start rpcbind
systemctl enable rpcbind

--192.168.20.20---

[root@localhost ~]# mount.nfs 192.168.20.10:/opt/jlx /var/www/html/
[root@localhost ~]# vim /etc/fstab
192.168.20.10:/opt/jlx      /var/www/html      nfs     defaults,_netdev  0 0

--192.168.20.100--

[root@localhost ~]#mount.nfs 192.168.20.10:/opt/can /var/www/html
[root@localhost ~]#vim /etc/fstab

192.168.20.10:/opt/can    /var/www/html        nfs     defaults,_netdev  0  0

---192.168.20.20--- ---192.168.20.100--

3.配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.20.10，外网关 ens36：12.0.0.1）

#1、添加一块网卡，我这里是ens36，配置网卡，重启网络
[root@localhost ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@localhost network-scripts]# vim ifcfg-ens33
#GATEWAY=192.168.20.2     //将网卡和DNS服务器地址注释掉 #DNS1=8.8.8.8
[root@localhost network-scripts]# cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
[root@localhost network-scripts]# vim ifcfg-ens36
IPADDR=12.0.0.1       //设置IP地址 NETMASK=255.255.255.0 
#GATEWAY=192.168.20.2
#DNS1=8.8.8.8
[root@localhost network-scripts]# systemctl restart network

#2、关闭防火墙
[root@localhost network-scripts]# systemctl stop firewalld.service
[root@localhost network-scripts]# systemctl disable firewalld.service
Removed symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed symlink /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.
[root@localhost network-scripts]# setenforce 0
#3、开启路由转发功能
[root@localhost network-scripts]# vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1   //添加这一行
[root@localhost ~]# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1

#4、配置SNAT策略（如果内网想主动连接外网的话，需要配置SNAT策略）
[root@localhost ~]# iptables -t nat -F
[root@localhost ~]# iptables -F
[root@localhost ~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.20.0/24 -o ens36 -j SNAT --to-source 12.0.0.1

#5、加载LVS内核模块
[root@localhost ~]# modprobe ip_vs         //加载ip_vs模块
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs    //查看ip_vs模块的版本
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
 #加载LVS所有调度算法
[root@localhost ~]# 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

#6、安装ipvsadm管理工具，开启服务
[root@localhost yum.repos.d]# yum -y install ipvsadm
#开启服务前必须保存负载分配策略，生成/etc/sysconfig/ipvsadm文件。如果该文件不存在，服务无法启动。
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@localhost yum.repos.d]# systemctl start ipvsadm.service

#7、配置负载分配策略（NAT模式只需要在负载器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm -C         //清空原有规则
#指定指定VIP地址及TCP端口，-s rr 指定负载调度策略为轮询
[root@localhost yum.repos.d]# 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指定真实服务器地址，-m指定nat模式。-w指定权重值，权重为1时可省略不写
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.20.11:80 -m     
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.20.12:80 -m 
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm     //查看策略
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  localhost.localdomain:http rr
  -> 192.168.20.11:http           Masq    1      0          0         
  -> 192.168.20.12:http           Masq    1      0          0 
  [root@localhost yum.repos.d]# 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
  -> 192.168.20.11:80             Masq    1      0          0         
  -> 192.168.20.12:80             Masq    1      0          0         
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm-save > /opt/ipvsadm             
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm -ln          //以数字形式查看策略，Masq表示NAT模式
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
  -> 192.168.20.11:80             Masq    1      0          0         
  -> 192.168.20.12:80             Masq    1      0          0         
[root@localhost yum.repos.d]# ipvsadm-save > /opt/ipvsadm

win10客户机访问测试

win10客户机，网关地址设置为负载调度器的外网IP。

浏览器访问负载调度器的外网IP地址12.0.0.1。