Linux cluster集群
Linux cluster（集群）：
cluster：计算机组合，为解决某个特定问题组合起来形成的单个系统；
Linux Cluster类型：
LB：Load Balancing，负载均衡；
HA：High Availiablity，高可用；
A=MTBF（平均无故障时长）/（MTBF+MTTR（平均修复时间））
(0,1)：90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%
A=(0<=1)
HP：High Performance，高性能；
全球计算机性能评测网站：www.top500.org
系统扩展方式：
Scale UP：向上扩展
Scale Out：向外扩展Cluster集群
LB Cluster负载均衡集群：
LB Cluster的实现：
硬件：
F5 Big-IP
Citrix Netscaler
A10 A10
软件：
lvs：Linux Virtual Server
nginx
haproxy
ats：apache traffic server
perlbal
pound
基于工作的协议层次划分：
传输层（通用）：（DPORT）主要根据目标端口进行转发；
lvs：主要工作在传输层调度；
nginx：（stream）模拟传输层调度；
haproxy：（mode tcp）模拟传输层调度；
应用层（专用）：（自定义的请求模型分类）
proxy server：
http：nginx, httpd, haproxy(mode http), …
fastcgi：nginx, httpd, …
mysql：mysql-proxy, …
…
站点指标：
PV：Page View 页面入口的浏览量；
UV：Unique Vistor 独立的访问者；
IP：访问网站时使用的外网地址；
会话保持：
(1) session sticky：会话粘性；
Source IP
Cookie 追踪用户身份；
(2) session replication;
session cluster
(3) session server
主从复制集群；
lvs：Linux Virtual Server
VS: Virtual Server
RS: Real Server
lvs在不适用的场合使用会带来的麻烦：
lvs太原生态，使得很多辅助性的工具可控性极低，因为它只是为了调度而生。
lvs不适用小型站点。
lvs：四层路由器，四层交换机；
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RealServer，根据调度算法来挑选RS；
iptables/netfilter：
iptables：用户空间的管理工具；
netfilter：内核空间上的框架；
流入：PREROUTING –> INPUT
流出：OUTPUT –> POSTROUTING
转发：PREROUTING –> FORWARD –> POSTROUTING
DNAT：目标地址转换； PREROUTING；
lvs: ipvsadm/ipvs
ipvsadm：用户空间的命令行工具，规则管理器，用于管理集群服务及RealServer；
ipvs：工作于内核空间的netfilter的INPUT钩子之上的框架；
注意：一般不建议在lvs调度服务器上做太多的iptables过滤规则。
lvs集群类型中的术语：
vs：Virtual Server, Director, Dispatcher, Balancer
rs：Real Server, upstream server, backend server
CIP：Client IP, VIP: Virtual serve ip , DIP: Director IP，RIP: Real server IP
CIP <–> VIP == DIP <–> RIP
OS七层模型：
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
lvs集群的类型：
lvs-nat：修改请求报文的目标IP；
lvs-dr：重新封装新的MAC地址，默认使用的类型；
lvs-tun：在原请求IP报文之外新加一个IP首部；
lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP；
lvs-nat：
多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某挑出的RS的RIP和PORT实现转发；
（1）RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP；
（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发；Director易于成为系统瓶颈；
（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT；
（4）vs必须是Linux系统，rs可以是任意系统；
lvs-dr：
Direct Routing，直接路由；
通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变；
Director和各RS都得配置使用VIP；
(1) 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director：
(a) 在前端网关做静态绑定，此种方案不可行；
(b) 在RS上使用arptables；
(c) 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别；
arp_announce
arp_ignore
(2) RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director，在RS的lo别名网卡上配置vip地址；
(3) RS跟Director要在同一个物理网络；
(4) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director，而是由RS直接发往Client；
(5) 不支持端口映射；
lvs-tun：
转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；
(1) DIP, VIP, RIP都应该是公网地址；
(2) RS的网关不能，也不可能指向DIP，在RS的lo别名网卡上配置vip地址；
(3) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director；
(4) 不支持端口映射；
(5) RS的OS得支持隧道功能；
客户端请求：
client—–CIP VIP——->director——–CIP VIP DIP RIP———realserver（在lo别名上配置vip）；
服务器响应请求：
realserver——VIP CIP———client
lvs-fullnat：
通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发；
CIP –> DIP
VIP –> RIP
(1) VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP；
(2) RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client；
(3) 请求和响应报文都经由Director；
(4) 支持端口映射；
注意：lvs-fullnat型lvs默认不支持；
ipvs scheduler（调度）：
根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态，可分为静态方法和动态方法两种：
静态方法：仅根据算法本身进行调度；
RR：roundrobin，轮询；
WRR：Weighted RR，加权轮询；
SH：Source Hashing，实现session sticy，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定；
DH：Destination Hashing；目标地址哈希，将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS；
动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度；
Overhead=
LC：least connections
Overhead=activeconns*256+inactiveconns
WLC：Weighted LC
Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight
SED：Shortest Expection Delay
Overhead=(activeconns+1)*256/weight
NQ：Never Queue
LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法；
LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC；
ipvsadm/ipvs：
ipvs：
~]# grep -i -C 10 “ipvs” /boot/config-3.10.0-327.el7.x86_64
支持的协议：TCP， UDP， AH， ESP， AH_ESP, SCTP；
ipvs集群：
集群服务
服务上的RS
ipvsadm命令：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [–pe persistence_engine] [-b sched-flags]
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 [options]
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
管理集群服务：增、改、删；
增、改：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
删：
ipvsadm -D -t|u|f service-address
service-address：
-t|u|f：
-t: TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT
-u: TCP协议的端口，VIP:UDP_PORT
-f：firewall MARK，是一个数字；
[-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc；
管理集群上的RS：增、改、删；
增、改：
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]
删：
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
server-address：
rip[:port]
选项：
lvs类型：
-g: gateway, dr类型
-i: ipip, tun类型
-m: masquerade, nat类型
-w weight：权重；
清空定义的所有内容：
ipvsadm -C
查看：
ipvsadm -L|l [options]
–numeric, -n：numeric output of addresses and ports
–exact：expand numbers (display exact values)
–connection， -c：output of current IPVS connections
–stats：output of statistics information
–rate ：output of rate information
保存和重载：
ipvsadm -S = ipvsadm-save
ipvsadm -R = ipvsadm-restore
实验测试lvs集群：
实验环境：准备4台虚拟机，配置一个lvs-nat的lvs集群；
client客户机IP为192.168.3.7
director调度服务器准备两块网卡，network 1 （vip）:192.168.3.5 network 2（Dip） :192.168.22.1
realserver1 httpd服务器rip为192.168.22.2 gateway：192.168.22.1
在realserver1 httpd配置访问主页realserver 1
realserver2 httpd服务器rip为192.168.22.3gateway：192.168.22.1
在realserver2 httpd配置访问主页realserver 2
1）以上实验测试环境准备好之后，我们就可以配置lvs director调度服务器了。
在director调度服务器上开启路由转发功能；
2）在director调度服务器上配置调度服务，使用rr轮循调配：
3）测试lvs的rr轮循功能：
4）修改director调度服务器调度方式为wrr加权轮循：
5）测试lvs的wrr加权轮循功能：
6）修改director调度服务器调度方式为SH源地址哈希：
7）测试lvs的SH源地址哈希功能，将客户端IP第一次访问的realserver始终绑定在固定的第一次访问的realserver上。
负载均衡集群的设计要点：
(1) 是否需要会话保持；
(2) 是否需要共享存储；
共享存储：NAS， SAN， DS（分布式存储）
数据同步：
课外作业：rsync+inotify实现数据同步，一般不建议使用。
lvs-nat：
设计要点：
(1) RIP与DIP在同一IP网络, RIP的网关要指向DIP；
(2) 支持端口映射；
实践作业（博客）：负载均衡一个php应用；
测试：(1) 是否需要会话保持；(2) 是否需要共享存储；
lvs-dr：
dr模型中，各主机上均需要配置VIP，解决地址冲突的方式有三种：
(1) 在前端网关做静态绑定；不可用；
(2) 在各RS使用arptables；比较麻烦；
(3) 在各RS修改内核参数，来限制arp响应和通告的级别；可行；
限制响应级别：arp_ignore（响应）
0：默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应；
1: 仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文接口上时，才给予响应；
限制通告级别：arp_announce（通告）
0：默认值，把本机上的所有接口的所有信息向每个接口上的网络进行通告；
1：尽量避免向非直接连接网络进行通告；
2：必须避免向非本网络通告；
实验测试lvs集群：
实验环境：准备4台虚拟机，配置一个lvs-nat的lvs集群；
实验测试lvs集群：
实验环境：准备4台虚拟机，配置一个lvs-dr的lvs集群；
client客户机IP为：192.168.3.7；
director调度服务器配置一块网卡，在eno16777736上配置dip：192.168.3.5，在eno16777736:0别名上配置vip：192.168.3.6
realserver1 httpd服务器rip为192.168.3.2，在lo网卡上配置别名vip：192.168.3.6，配置arp_ignore=1 ,arp_announce=2
realserver2 httpd服务器rip为192.168.3.8，在lo网卡上配置别名vip：192.168.3.6，配置arp_ignore=1 ,arp_announce=2
1）在director调度服务器上配置eno16777736:0别名上配置vip：192.168.3.6：
2）在realserver1 lo网卡别名上配置VIP：192.168.3.6，配置arp_ignore=1 ,arp_announce=2配置网页为<h>realserver1</h>为了方便配置，简化重复操作，提高效率我们可以编写脚本setlvs.sh
3）在realserver2上同样执行setlvs.sh脚本文件，配置vip在lo网卡别名上，配置arp_ignore=1 ,arp_announce=2，配置网页为：<h>realserver2</h>
4）配置director调度服务器为wrr加权轮循，lvs类型为lvs-dr：
5）测试lvs-dr加权轮循：
FWM：FireWall Mark （防火墙标记）
借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务；可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度；
打标记方法（在Director主机）：
# iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $proto –dport $port -j MARK –set-mark NUMBER
基于标记定义集群服务：
# ipvsadm -A -f NUMBER [options]
lvs persistence：持久连接
持久连接模板：实现无论使用任何算法，在一段时间内，实现将来自同一个地址的请求始终发往同一个RS；
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
port Affinity：
每端口持久：每集群服务单独定义，并定义其持久性；
每防火墙标记持久：基于防火墙标记定义持久的集群服务；可实现将多个端口上的应用统一调度，即所谓的port Affinity；
每客户端持久：基于0端口定义集群服务，即将客户端对所有应用的请求统统调度至后端主机，而且必须使用持久连接进行绑定；
保存及重载规则：
保存：建议保存至/etc/sysconfig/ipvsadm
ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
ipvsadm -S > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
systemctl stop ipvsadm.service
重载：
ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
systemctl restart ipvsadm.service
考虑：
(1) Director不可用，整个系统将不可用；SPoF
解决方案：高可用
keepalived
heartbeat/corosync
(2) 某RS不可用时，Director依然会调度请求至此RS；
解决方案：对各RS的健康状态做检查，失败时禁用，成功时启用；
keepalived
heartbeat/corosync, ldirectord
检测方式：
(a) 网络层检测；
(b) 传输层检测，端口探测；
(c) 应用层检测，请求某关键资源；
ok –> failure
failure –> ok
实验测试：
搭建lvs-dr类型的MySQL集群做防火墙标记：
client 客户机IP：192.168.3.7；
director调度服务器配置一块网卡，在eno16777736上配置dip：192.168.3.5，在eno16777736:0别名上配置vip：192.168.3.6
realserver1 mysql服务器rip为192.168.3.2，在lo网卡上配置别名vip：192.168.3.6，配置arp_ignore=1 ,arp_announce=2
realserver2 mysql服务器rip为192.168.3.8，在lo网卡上配置别名vip：192.168.3.6，配置arp_ignore=1 ,arp_announce=2，创建一个数据库mydb以表示和realserver的区别；
我们就延用以上lvs-dr httpd实验的配置：
1）在realserver1 服务器上安装数据库，授权一个test用户可以远程登录：
2）在realserver2服务器上安装数据库，授权一个test用户可以远程登录并创建一个mydb的数据库：
创建mydb数据库：
3）配置director调度服务器，添加3306端口的调度和80端口的调度：
4）测试MySQL的lvs-dr类型的调度：
5）测试httpd的lvs-dr类型的调度：
由此可以看出MySQL和httpd是分别进行调度的。
5）使用IPvsadm -C清除调度器上的调度规则。并配置防火墙规则进行调度；
6）测试防火墙标记调度：
使用ipvsadm -S 保存ipvsadm规则到/etc/sysconig/ipvsadm
ipvsadm -S > /etc/sysconfig/ipvsadm
使用ipvsadm -R 重载ipvsadm规则
ipvsadm -R < /etc/sysconfig/ipvsadm
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