LVS详解及基于LVS实现web服务器负载均衡

前言

LVS(Linux Virtual Server)Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。本项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统可实现一个高性能、高可用的服务器群集，从而以低成本实现最优的服务性能。

集群基础

集群简介

集群(Cluster)是一组相互独立的、通过高速网络互联的计算机，它们构成了一个组，并以单一系统的模式加以管理。一个客户与集群相互作用时，集群像是一个独立的服务器。集群配置是用于提高可用性和可缩放性。集群系统的主要优点：高可扩展性、高可用性、高性能、高性价比。

集群类型

LB：Load Balancing 高可拓展，伸缩集群

HA：High Availability 高可用集群

HP：High Performance 高性能集群

集群方案

LB：

    硬件级：F5 BIG-IP、Citrix Netscaler、 A10 A10、Array、Redware

    软件级：lvs (传输层)、haproxy, nginx (应用层)

HA：

    heartbeat 、corosync + pacemaker、 cman + rgmanager、cman + pacemaker、keepalived

HP:

    hadoop

LVS详解

LVS组成

ipvsadm：用于管理集群服务的命令行工具，工作于Linux系统中的用户空间。

ipvs：为lvs提供服务的内核模块，工作于内核空间 

LVS术语

VIP：Director用来向外部提供服务的IP地址,也就是DNS通过域名解析到的IP

RIP：集群节点（后台真正提供服务的服务器）所使用的IP地址

DIP：Director用来和RIP进行交互的IP地址

CIP：客户端使用的IP或公网IP

RS:集群节点服务器Real server

LVS类型

LVS-NAT：Network Address Translation 网络地址转换

LVS-DR：Direct Routing 直连路由

LVS-TUN：Tunneling 隧道

LVS各类型特性

NAT类型的特性：

①RS应用使用私有地址，RS的网关必须指向DIP

②请求和响应都要经过Director，高负载场景中，Director易成为性能瓶颈

③支持端口映射

④RS可以使用任意OS

DR类型的特性：

①保证前端路由将目标地址为VIP的报文统统发往Directory，而不能是RS

解决方案：

(1) 静态地址绑定：在前端路由器上操作

前提：必须要有路由操作权限

(2) aprtables

(3) 修改RS上内核参数，将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求

②RS可以使用私有地址，但也可以使用公网地址，此时可通过互联网通过RIP对其直接访问

③RS跟Directory必须在同一物理网络中

④请求报文经由Director，但响应报文必须不能经过Director

⑤不支持端口映射

⑥RS可以是大多数常见的OS

⑦RS的网关绝不允许指向DIP

TUN类型的特性:

①RIP、VIP、DIP全部是公网地址

②RS的网关不会也不可能指向DIP

③请求报文经由Director，但响应报文必须不能经过Director

④不支持端口映射

⑤RS的OS必须支持隧道功能

LVS调度算法

静态方法：仅根据调度算法本身进行调度   

rr: round robin，轮流，轮询，轮叫
wrr: weighted round robin, 加权轮询
sh：source hashing，session绑定
dh: destination hashing, 目标地址hash

动态方法：根据算法及各RS当前的负载状况进行调度

lc: least connection，最少连接
wlc: weighted lc，加权最少连接
sed: shortest expection delay，最少期望延迟
nq: never queue，永不排队
lblc: Locality-Based Least Connection，基于局部性的最少连接
lblcr：Replicated lblc，基于局部性的带复制功能的最少连接

LVS配置（ipvsadm）

命令格式

ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler]
              [-p [timeout]] [-M netmask]
      ipvsadm -D -t|u|f service-address
      ipvsadm -C
      ipvsadm -R
      ipvsadm -S [-n]
      ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address
              [-g|i|m] [-w weight] [-x upper] [-y lower]
      ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
      ipvsadm -L|l [options]
      ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
      ipvsadm --set tcp tcpfin udp
      ipvsadm --start-daemon state [--mcast-interface interface]
              [--syncid syncid]
      ipvsadm --stop-daemon state
      ipvsadm -h

命令详解

定义集群服务：
-A 添加一个集群服务
-D 删除一个集群服务 
-E 修改一个集群服务
-t VIP:端口 定义集群服务的类型为TCP的某个端口
-u VIP:端口 定义集群服务的类型为UDP的某个端口
-f 防火墙标记 定义集群服务的类型为防火墙标记
-s 调度算法 指定集群服务的调度算法 
定义集群节点：
-a 添加一个节点到集群服务
-d 从集群服务中删除一个节点
-e 修改集群服务器中的节点
-r 节点IP:端口  定义节点的IP及类型
-m 定义为NAT模型
-g 定义为DR模型
-i 定义为TUN模型
-w 权重 定义服务器的权重
查看已经定义的集群服务及RS：
ipvsadm -L -n
    -c: 查看各连接
    --stats: 统计数据
    --rate:　速率
    --exact: 精确值
从集群服务中删除RS：
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
删除集群服务：
ipvsadm -D -t|u|f service-address
清空所有的集群服务：
ipvsadm -C 
保存集群服务定义：
ipvsadm -S > /path/to/some_rule_file
ipvsadm-save > /path/to/some_rule_file
让规则文件中的规则生效：
ipvsadm -R < /path/from/some_rule_file
ipvsadm-restore < /path/from/some_rule_file

LVS-NAT模型

配置过程

#以下实验都是临时性配置，若要永久生效，请自行配置
Real Server 1
#ifconfig eth0 172.16.10.100/16 up
#route add default gw 172.16.10.12
Real Server 2
#ifconfig eth0 172.16.10.212/16 up
#route add default gw 172.16.10.12
Director Server
#ifconfig eth0 192.168.1.10/24 up
#ifconfig eth1 172.16.10.12/16 up
#yum -y install ipvsadm 
#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
#ipvsadm -A -t 192.168.1.10:80 -s rr
#ipvsadm -a -t 192.168.1.10:80 -r 172.16.10.100 -m 
#ipvsadm -a -t 192.168.1.10:80 -r 172.16.10.212 -m

LVS-DR模型

上面说了NAT模型的实现方式,但NAT模型有个缺陷,因为进出的每个数据包都要经过Director Server,当集群系统负载过大的时候Director Server将会成为整个集群系统的瓶颈,而DR模型就避免了这样的情况发生,DR模型在只有请求的时候才会经过Director Server, 回应的数据包由Real Server 直接响应用户不需要经过Director Server。

配置过程

内核参数：
arp_ignore: 定义接收到ARP请求时的响应级别
0：只要本地配置的有相应地址，就给予响应
1：仅在请求的目标地址配置请求到达的接口上的时候，才给予响应
arp_announce：定义将自己地址向外通告时的通告级别
0：将本地任何接口上的任何地址向外通告
1：试图仅向目标网络通告与其网络匹配的地址
2：仅向与本地接口上地址匹配的网络进行通告

Real Server 1
#ifconfig eth0 172.16.10.100/16 up
#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_ignore
#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
#echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
#echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_announce
#ifconfig lo:0 192.168.1.10 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.1.10 up
#route add -host 192.168.1.10 dev lo:0
Real Server 2
#ifconfig eth0 172.16.10.212/16 up
#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_ignore
#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
#echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
#echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/arp_announce
#ifconfig lo:0 192.168.1.10 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.1.10 up
#route add -host 192.168.1.10 dev lo:0
Director Server
#ifconfig eth0 172.16.10.12/16 up
#ifconfig eth0:0 192.168.1.10 netmask 255.255.255.255 broadcast 192.168.1.10 up
#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
#route add -host 192.168.1.10 dev eth0:0
#yum install ipvsadm -y
#ipvsadm -A -t 192.168.1.10:80 -s rr
#ipvsadm -a -t 192.168.1.10:80 -r 172.16.10.100 -g 
#ipvsadm -a -t 192.168.1.10:80 -r 172.16.10.212 -g

基于LVS实现web服务器负载均衡

实验拓扑

环境介绍

系统环境：CentOS6.6

Director Server：192.168.1.10（VIP） 172.16.10.12（DIP） 

Real Server 1:192.168.1.10（VIP） 172.16.10.100（RIP ）

Real Server 2:192.168.1.10（VIP） 172.16.10.212（RIP ） 

PHP服务器：172.16.10.110 

NFS服务器：172.16.10.110

数据库服务器：172.16.10.211

要求：web服务器上部署discuz，基于LVS实现负载均衡

NFS服务器配置

创建共享目录，并设置权限

编辑配置文件，设置共享目录及客户端

[root@scholar ~]# vim /etc/exports 

/web/discuz     172.16.10.100(rw,sync) 172.16.10.212(rw,sync)

站点文件准备

[root@scholar ~]# unzip Discuz_7.2_FULL_SC_GBK.zip
[root@scholar ~]# chmod -R 777 upload 
[root@scholar ~]# mv upload/* /web/discuz/
[root@scholar ~]# chown -R apache.apache /web/discuz

启动服务，设置开机自启

数据库服务器配置

RS1和RS2配置

配置VIP

配置虚拟主机

[root@RS1 ~]# vim /etc/httpd24/extra/httpd-vhosts.conf 

<VirtualHost *:80>
    DocumentRoot "/web/discuz"
    ProxyRequests Off
    ProxyPassMatch ^/(.*\.php)$ fcgi://172.16.10.110:9000/web/discuz/$1
</VirtualHost>

挂载共享目录

#可设置开机自动挂载
[root@scholar ~]# vim /etc/fstab 
 
172.16.10.110:/web/discuz  /web/discuz             nfs     defaults,_netdev 0 0

检查语法，启动服务

Director Server配置

配置VIP

定义集群

安装测试及访问测试

安装完成，我们来发一个帖子测试一下

过一会儿，刷新一下页面

此过程中是否实现了负载均衡，我们在Director Server上查看一下是哪台服务器响应的请求就知道了

由此可见，基于LVS实现web服务器的负载均衡功能已完成

The end

OK，基于LVS的负载均衡就说到这里了，负载均衡集群的配置还是比较简单的，几条命令就搞定了，不要因为简单看一眼就略过，只有理解原理结合实践才能真正掌握知识，配置过程中遇到问题可留言呦。以上仅为个人学习整理，如有错漏，大神勿喷~~~