【网络架构】lvs集群

目录

一、集群与分布式

1.1 集群介绍

1.2 分布式系统

1.3 集群设计原则

二、LVS

2.1 lvs工作原理

2.2 lvs集群体系架构

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2.3 lvs功能及组织架构

2.4 lvs集群类型中术语

三、LVS工作模式和命令

3.1 lvs集群的工作模式

3.1.1 lvs的nat模式

3.1.2 lvs的dr模式

3.1.3 工作模式总结比较

3.2 lvs调度算法

 

 四、ipvsadm工具

4.1 ipvsadm工具选项

五、LVS DR模式部署

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5.1 环境配置

一、集群与分布式

1.1 集群介绍

Cluster：集群,为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统

Cluster分为三种类型：

  • LB： Load Balancing，负载均衡，多个主机组成，每个主机只承担一部分访问请求

  • HA： High Availiablity，高可用，避免 SPOF（single Point Of failure） 单点故障

  • HPC： High-performance computing，高性能

1.2 分布式系统

分布式存储：Ceph，GlusterFS，FastDFS，MogileFS

分布式计算：hadoop，Spark

分布式常见应用

  • 分布式应用-服务按照功能拆分，使用微服务（单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值服务）

  • 分布式静态资源--静态资源放在不同的存储集群上

  • 分布式数据和存储--使用key-value缓存系统

  • 分布式计算--对特殊业务使用分布式计算，比如Hadoop集群

1.3 集群设计原则

  • 可扩展性—集群的横向扩展能力

  • 可用性—无故障时间 (SLA service level agreement)

  • 性能—访问响应时间

  • 容量—单位时间内的最大并发吞吐量(C10K 并发问题)

 

二、LVS

2.1 lvs工作原理

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RS(真实服务器)，根据调度算法来挑选RS。LVS是内核级功能，工作在INPUT链的位置，将发往INPUT的流量进行“处理”。

2.2 lvs集群体系架构

 

2.3 lvs功能及组织架构

负载均衡的应用场景为高访问量的业务，提高应用程序的可用性和可靠性。

2.4 lvs集群类型中术语

  • VS（代理服务器）：Virtual Server，Director Server(DS), Dispatcher(调度器)，Load Balancer（lvs服务器） 代理服务器

  • RS（真实服务器）：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)（真实服务器）

  • CIP：Client IP（客户机IP） 客户机的ip

  • VIP：Virtual serve IP VS外网的IP 代理服务器的 外网ip

  • DIP：Director IP VS内网的IP 代理服务器的 内网ip

  • RIP：Real server IP 真实服务器的 ip地址

访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP

三、LVS工作模式和命令

3.1 lvs集群的工作模式

  • lvs-nat：修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT

  • lvs-dr：操纵封装新的MAC地址（直接路由）

  • lvs-tun：隧道模式

  • lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP

3.1.1 lvs的nat模式

1 当客户端 发起请求报文是：

源ip：客户端的ip地址（cip）

目的地址： vip（代理服务器的外网地址）

2.当数据包到达我们的 代理服务器 源ip不变， 需要修改目的ip及端口号

源ip：客户端的ip地址（cip）

目的地址： rip （后端真实服务器ip）

3 .真实服务器 收到报文后 构建响应报文

源ip：改成真实服务器自己的ip（vip 是内网地址）

目的地址： cip 外网客户端地址

4.再发给代理服务器， 代理服务会修改 源ip 将内网地址 改成外网地址

源ip：代理服务器的 外网ip （vip）

目的地址： cip （外网客户端的地址）

lvs-nat：本质是多目标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处的RS的RIP和PORT实现转发

（1）RIP（真实服务器）和DIP（代理服务器的内网地址）应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP

（2）请求报文和响应报文都必须经由lvs服务器转发，lvs服务器易于成为系统瓶颈

（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OS系统

3.1.2 lvs的dr模式

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，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

直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过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

 

DR模式的特点：

  1. Director和各RS都配置有VIP

  2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director

  • 在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址

  • 在RS上使用arptables工具

     4. RS和Director要在同一个物理网络

     5. 请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client

     6. 不支持端口映射（端口不能修改）

     7. 无需开启 ip_forward

     8. RS可使用大多数OS系统

3.1.3 工作模式总结比较

DRTUNDR
优点端口转换WAN性能最好
缺点性能瓶颈服务器支持隧道模式不支持跨网段
真实服务器要求anyTunnelingNon-arp device
支持网络private（私网）LAN/WAN（私网/公网）LAN（私网）
真实服务器数量low (10~20)High (100)High (100)
真实服务器网关lvs内网地址Own router（网工定义）Own router（网工定义）

3.2 lvs调度算法

ipvs scheduler：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态

分为两种：

静态方法： 不管后端真实服务器的 状态，根据自身 算法进行调度

动态方法： 会根据后端服务器的状态来进行调度

仅根据算法本身进行调度

静态：

1、RR：roundrobin，轮询,较常用

2、WRR：Weighted RR，加权轮询,较常用 先算总权重 再用自己的 权重去除以 总权重

3、SH：Source Hashing，实现session sticky，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

4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续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，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡,如: Web缓存 缓存

动态： 一个参考值 来确定服务器是否忙 这个值越小 代表服务器 闲 就会优先调度给闲的服务器

主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value 较小的RS将被调度

1、LC：least connections 适用于长连接应用 最小连接数 不考虑权重

Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2、WLC：Weighted LC，默认调度方法,较常用 默认调度 加权最小连接数 第一轮不合理 都是 一样的 优先级

Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3、SED：Shortest Expection Delay，初始连接高权重优先,只检查活动连接,而不考虑非活动连接 权重小的 空闲的

Overhead=(activeconns+1)*256/weight

4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED

5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理,实现Web Cache等 检查 后端服务器忙不忙

6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS,,实现Web Cache等

 四、ipvsadm工具

4.1 ipvsadm工具选项

-A: 添加虚拟服务器
-D: 删除整个虚拟服务器
-C: 清空所有
-R: 重新加载，同ipvsadm-restore
-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: 添加真实服务器（节点服务器）
-d: 删除某一个节点
-t: 指定VIP地址及TCP端口
-r: 指定RIP地址及TCP端口
-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
一w: 设置权重(权重为0时表示暂停节点)
-p 60: 表示保持长连接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。ipvsadm -ln

ipvsadm使用yum安装即可

主程序：/usr/sbin/ipvsadm
规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save
规则重载工具：/usr/sbin/ipvsadm-restore
配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config
ipvs调度规则文件：/etc/sysconfig/ipvsadm

五、LVS DR模式部署

 

客户机发起请求，经过调度服务器（lvs），经过算法调度，去访问真实服务器（RS）

由于不原路返回，客户机不知道，真实主机的ip地址，

所以只能通过调度服务器的外网ip（vip）去反回报文信息。

第一次访问完整（不考虑实际问题）
客户端---->外网地址12.0.0.100      12.0.0.100---->客户端 
#12.0.0.18-----客户端   客户端会直接丢弃
对每台真实服务器配置外网地址 12.0.0.100
12.0.0.100------>客户端   

问题1
多台服务器配置同一虚拟IP地址会导致IP地址冲突

解决：
路由器发送ARP请求（广播）
ARP---->广播去找ip地址解析成mac地址
默认使用调度服务器上的外网地址（vip地址）响应，
在真实服务器上修改内核参数
使真实服务器只对自己服务器上的真实IP地址响应ARP解析。

第二次再有访问请求


问题2
路由器上绑定了 真实服务器1的mac信息，请求到达真实服务器

解决：
在真实服务器上修改内核参数
只对所有服务器真实网卡上的地址进行反馈，解析

5.1 环境配置

DR服务器：192.168.254.100

web服务器1：192.168.254.101

web服务器2：192.168.254.102

客户端：192.168.254.200

vip（虚拟回环）：192.168.254.188

 DR服务器

systemctl stop firewalld
setenforce 0yum install -y ipvsadmcd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0vim ifcfg-ens33:0
NAME=ens33:0
DEVICE=ens33:0
IPADDR=192.168.254.188
NETMASK=255.255.255.255systemctl restart networkifup ifcfg-ens33:0vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0sysctl -pipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadmsystemctl start ipvsadm
ipvsadm -Cipvsadm -A -t 192.168.254.188:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.254.188:80 -r 192.168.254.101:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.254.188:80 -r 192.168.254.102:80 -gipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

web1服务器：

yum install -y httpdifconfig lo:0 192.168.254.188/32
route add -host 192.168.254.188 dev lo:0vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.default.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
sysctl -p

web2服务器：

yum install -y httpdifconfig lo:0 192.168.254.188/32
route add -host 192.168.254.188 dev lo:0vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.default.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
sysctl -p

客户端：

curl 192.168.254.188

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