Linux运维应知必会的LVS高可用负载均衡方案

背景

在业务量达到一定量的时候，往往单机的服务是会出现瓶颈的。此时最常见的方式就是通过负载均衡来进行横向扩展。其中我们最常用的软件就是 Nginx。通过其反向代理的能力能够轻松实现负载均衡，当有服务出现异常，也能够自动剔除。但是负载均衡服务自身也可能出现故障，因此需要引入其他的软件来实现负载均衡服务的高可用。本文就介绍了一种基于 LVS+Keepalived 的方式，来实现高可用 Web 集群。

LVS 与 Keepalived

LVS 是一种预装在 Linux 系统中，基于四层、具有强大性能的反向代理服务器。ipvsadm 是 LVS 的命令行管理工具。

LVS 特点是：

  1. 首先它是基于 4 层的网络协议的，抗负载能力强，对于服务器的硬件要求除了网卡外，其他没有太多要求；

  2. 配置性比较低，这是一个缺点也是一个优点，因为没有可太多配置的东西，大大减少了人为出错的几率；

  3. 应用范围比较广，不仅仅对 web 服务做负载均衡，还可以对其他应用（mysql）做负载均衡；

  4. LVS 架构中存在一个虚拟 IP 的概念，需要向 IDC 多申请一个 IP 来做虚拟 IP。

Keepalived 是一个基于 VRRP 协议来实现的服务高可用方案，可以利用其来避免 IP 单点故障，一般与其它负载均衡技术（如 LVS 、HAProxy 、Nginx）一起工作来达到集群的高可用。Keepalived 是 LVS 的扩展项目, 因此它们之间具备良好的兼容性，可直接通过 Keepalived 的配置文件来配置 LVS。

LVS 的工作原理可见参考文献

关于 LVS 和 Keepalived 详细的结构和原理，以及 LVS 和我们常用的 LB 软件 Nginx 的异同，可以阅读末尾提供的参考文献。接下来将介绍如何部署一个高可用的负载均衡集群。

相关术语

  • LB (Load Balancer 负载均衡)

  • HA (High Available 高可用)

  • Failover (失败切换)

  • Cluster (集群)

  • LVS (Linux Virtual Server Linux 虚拟服务器)

  • DS (Director Server)，指的是前端负载均衡器节点

  • RS (Real Server)，后端真实的工作服务器

  • VIP (Virtual IP)，虚拟的 IP 地址，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 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

测试环境

软件环境：CentOS7、Keepalived1.3.5、ipvsadm1.27

DS1(MASTER)：172.17.13.120

DS1(BACKUP)：172.17.13.123

RS1：172.17.13.142:80 Nginx

RS1：172.17.13.173:80 Nginx

VIP：172.17.13.252

                              |+----------------+-----------------+|                                  |
172.17.13.120|----     VIP:172.17.13.252    ----|172.17.13.123+-------+--------+                +--------+-------+| 	    DS1       |                |       DS2      || LVS+Keepalived |                | LVS+Keepalived |+-------+--------+                +--------+-------+|			                |+----------------+-----------------+|+------------+              |               +------------+|     RS1    |172.17.13.142 |  172.17.13.173|     RS2    || Web Server +--------------+---------------+ Web Server |+------------+                              +------------+

集群的架构图如上图所示。DS1、DS2 为两个 LB 节点，RS1、RS2 为两个真实的服务节点，通过一个虚拟的 IP 地址对外提供服务。

最终我们要达到的目标为：

  1. Client 通过 VIP 访问服务能够将请求根据配置的规则进行分发（LB）

  2. 当 MATSER 的 LB 节点故障时，自动切换到 BACKUP 的 LB 节点上，保证服务正常访问；MASTER 恢复后，再次作为主 LB 负载节点

  3. 当某个 RS 节点故障时，自动剔除该节点；恢复后，再次加入集群

详细配置流程

安装相关软件

[root@localhost ~]# yum install ipvsadm keepalived -y

配置 Keepalived

  1. DS1(MASTER) 节点

[root@localhost ~]# vi /etc/keepalived/keepalived.conf! Configuration File for keepalived
global_defs {router_id LVS_DEVEL
}vrrp_instance VI_1 {state MASTER            # 两个 DS，一个为 MASTER 一个为 BACKUPinterface enp1s0        # 当前 IP 对应的网络接口，通过 ifconfig 查询virtual_router_id 62    # 虚拟路由 ID(0-255)，在一个 VRRP 实例中主备服务器 ID 必须一样priority 200            # 优先级值设定：MASTER 要比 BACKUP 的值大advert_int 1            # 通告时间间隔：单位秒，主备要一致authentication {        # 认证机制，主从节点保持一致即可auth_type PASSauth_pass 1111}virtual_ipaddress {172.17.13.252       # VIP，可配置多个}
}# LB 配置
virtual_server 172.17.13.252 80  {delay_loop 3                    # 设置健康状态检查时间lb_algo rr                      # 调度算法，这里用了 rr 轮询算法lb_kind DR                      # 这里测试用了 Direct Route 模式persistence_timeout 50          # 持久连接超时时间protocol TCPreal_server 172.17.13.173 80 {weight 1TCP_CHECK {connect_timeout 10　　　retry 3　　　　　　      # 旧版本为 nb_get_retry delay_before_retry 3　　　connect_port 80}}real_server 172.17.13.142 80 {weight 1TCP_CHECK {connect_timeout 10retry 3delay_before_retry 3connect_port 80}}
}

  1. DS2(BACKUP) 节点

复制之前的配置文件，修改 vrrp_instance VI_1 中的 state 为 BACKUP。

配置完成后，分别重启 Keepalived 服务。

[root@localhost ~]# systemctl restart keepalived

配置 RS

RS 配置主要分两部分，一部分是 web 服务，另一部分是网络转发配置。

web 服务部署不多展开了，根据实际情况来，可以是 Tomcat 也可以是 Nginx，只要能通过 ip:port 能访问到即可。

在网络转发配置上，LVS 支持多种通信模型（NAT、DR、TUN），本文采用 DR 模型来进行通信，大致的流程如下图所示。请求数据包从到达 LB 后，LVS 会将这个数据包的 MAC 地址改成轮询到的 RS 的 MAC 地址，并丢给交换机；RS 收到后进行处理并从网卡的 lo 端口发送出去，响应报文到达交换机后直接转发给 Client。

图片

因此，我们需要在 RS 的网卡上配置 lo 为 VIP。配置脚本如下

#!/bin/bash 
SNS_VIP=172.17.13.252
case "$1" in
start)ifconfig lo:0 $SNS_VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $SNS_VIP/sbin/route add -host $SNS_VIP dev lo:0echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignoreecho "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announceecho "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignoreecho "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announcesysctl -p >/dev/null 2>&1echo "RealServer Start OK";;
stop)ifconfig lo:0 downroute del $SNS_VIP >/dev/null 2>&1echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignoreecho "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announceecho "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignoreecho "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announceecho "RealServer Stoped";;
*)echo "Usage: $0 {start|stop}"exit 1
esac
exit 0

本地创建完后，并执行。

[root@localhost ~]# chmod a+x lvs-web.sh
[root@localhost ~]# ./lvs-web.sh start

配置完成后，通过 VIP 就可以访问到 RS 上的服务了。

HA 测试

配置完双机热备后，我们就可以测试下，节点发生故障后以及 LB 切换失败后，能否保证服务的 HA。

在 LB 的主节点上输入 ip a，可以看到 VIP 目前已经正确配置在网卡上。

图片

输入 watch ipvsadm -Ln --stats 可实时看到负载均衡的结果，正常。

图片

接下面我们试着访问一下 VIP。

[root@localhost ~]# while true ; do curl 172.17.13.252; sleep 1;done

看到服务可正常轮询。

图片

此时手动停止一个 RS，再次访问 VIP，LVS 会自动剔除无法访问的服务，重启后，服务会被自动添加。

图片

图片

如果此时，手动停止 MASTER 上的 Keepalived，模拟 LB MASTER 节点挂了，VIP 会自动飘到 BACKUP LB 上。

图片

图片

此时，如果重启 MASTER 后，VIP 又会飘回去。MASTER 的优先级高于 BACKUP，从而实现 HA。

图片

总结

本文介绍了使用 LVS+Keepalived 来实现高可用负载均衡，这能使得我们的服务能够更加的稳定。Keepalived 默认是运行在 LVS 之上的，有较好的兼容性，当然我们也可以使用户 Nginx 作为 LB 的软件，可根据业务和两者的异同进行选择。

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