- 引言
- 一、群集的含义
- 1、系统性能扩展方式
- 2、集群解决的方法
- 二、群集的三种类型
- 1、负载均衡群集
- 2、高可用群集
- 3、高性能运算群集
- 三、负载均衡群集架构
- 1、负载调度器(Load Balancer或Director)
- 2、服务器池(Server Pool)
- 3、共享存储(Share Storage)
- 四、负载均衡群集工作模式分析
- 1、NAT模式(地址转换)
- 2、TUN模式(IP隧道)
- 3、DR模式(直接路由)
- 五、LVS虚拟服务器
- 1、Linux Virtual Server
- 2、LVS 的组成及作用
- 3、LVS 与 Nginx 功能对比
- 4、软件负载均衡的种类
- 六、LVS的负载调度算法
- 1、轮询(Round Robin)
- 2、加权轮询 (Weighted Round Robin)
- 3、最少连接 (Least Connections )
- 4、加权最少连接(Weighted L east Connections )
- 七、LVS 相关的术语及说明
- 八、 ipvsadm工具
- 九、LVS-NAT负载均衡群集部署
- 十、总结
如今，在各种互联网应用中，随着站点对硬件性能、响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求也越来越高，单台服务器也将难以无法承担所有的访问需求。
一、群集的含义集群、群集
由多台主机构成，但对外，只表现为一个整体，只提供一个访问入口（域名或IP），相当于一台大型计算机。
垂直扩展：向上扩展,增强，性能更强的计算机运行同样的服务
水平扩展：向外扩展,增加设备，并行地运行多个服务调度分配问题，Cluster
为什么垂直扩展不再提及？：
随着计算机性能的增长，其价格会成倍增长。
单台计算机的性能是有上限的，不可能无限制地垂直扩展，多核CPU意味着即使是单台计算机也可以并行的。那么，为什么不一开始就并行化技术？
使用价格昂贵的小型机、大型机。
使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。
通过整合多台服务器，使用LVS来达到服务器高可用和负载均衡，并于同一个IP地址对外提供相同服务。
这就是企业中常用的一种群集技术——LVS（Linux Virtual Server ，Linux虚拟服务器）
根据集群针对的目标差异，可分为三种
- 负载均衡群集
- 高可用群集
- 高性能群集
- 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、高负载(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
- 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。
- 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。
负载均衡的结构：
- 第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)
- 第二层，服务器池(Server Pool)
- 第三层，共享存储(Share Storage)
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。
2、服务器池(Server Pool)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。
3、共享存储(Share Storage)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。
四、负载均衡群集工作模式分析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3种工作模式
- 地址转换（NAT模式）
- IP隧道 （TUN模式）
- 直接路由（DR模式）
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
2、TUN模式(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
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
3、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
NAT 模式：只需一个公网 IP 地址，是最易用的一种负载均衡模式，安全性较好。 TUN 模式 和 DR 模式：负载能力强大、适用范围广、节点安全性较差。五、LVS虚拟服务器 1、Linux Virtual Server
- 针对Linux内核开发的负载均衡解决方案
- 1998年5月，由我国的章文嵩博士创建
- 官方网站: http://www.linuxvirtualserver.org
- LVS 实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用， 为基于IP地址和内容请求分发的负载均衡提出了一种高效的解决方法
使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS 架构从逻辑上可分为调度层、Server 集群层和共享存储层。
2、LVS 的组成及作用- ipvs(ip virtual server)：LVS 是基于内核态的 netfilter 框架实现的 IPVS功能，工作在内核态。用户配置 VIP 等相关信息并传递到 IPVS 就需要用到 ipvsadm 工具。
- ipvsadm：ipvsadm 是 LVS 用户态的配套工具，可以实现 VIP 和 RS 的增删改查功能，是基于 netlink 或 raw socket 方式与内核 LVS 进行通信的，如果 LVS 类比于 netfilter，那 ipvsadm 就是类似iptables 工具的地位。
作用：
- 主要用于多服务器的负载均衡；
- 工作在网络层，可实现高性能，高可用的服务器集群技术；
- 廉价，可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器；
- 易用，配置简单，有多种负载均衡的方法；
- 稳定可靠，即使在集群的服务器中某台服务器无法正常工作，也不影响整体效果；
- 可扩展性好；
- LVS 比 Nginx 具有更强的抗负载能力，性能高，对内存和 CPU 资源消耗较低；
- LVS 工作在网络层，具体流量由操作系统内核进行处理，Nginx 工作在应用层，可针对 HTTP 应用实施一些分流策略；
- LVS 安装配置较复杂，网络依赖性大，稳定性高。Nginx 安装配置较简单，网络依赖性小；
- LVS 不支持正则匹配处理，无法实现动静分离效果。Nginx 可实现这方面的功能；
- LVS 适用的协议范围广。Nginx 仅支持 HTTP、HTTPS、Email 协议，适用范围小；
- Nginx ：支持 4 层 / 7 层负载均衡，支持 HTTP、E-mail 协议；
- LVS ：纯 4 层负载均衡，运行在内核态，性能是软件负载均衡中最高的；
- HAproxy ：是 7 层负载均衡软件，支持 7 层规则的设置，性能也不错；
优点：
简单、灵活、便宜（直接在 Linux 操作系统上安装上述所使用的软件负载均衡，部署及维护较简单，
4 层 和 7 层负载均衡可根据业务进行选择也可根据业务特点，比较方便进行扩展及定制功能）；
将收到的访问请求按照顺序轮流分配给群集中的各节点(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
2、加权轮询 (Weighted Round Robin)- 根据调度器设置的权重值来分发请求，权重值高的节点优先获得任务，分配的请求数越多
- 保证性能强的服务器承担更多的访问流量
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
4、加权最少连接(Weighted L east Connections )- 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
| DS(Director Server) | 前端负载均衡节点服务器 |
|---|---|
| RS(Real Server) | 后端真实服务器 |
| CIP(Client IP) | 客户端 IP 地址 |
| VIP (Virtual IP) | 负载均衡对外提供访问的 IP 地址，一般负载均衡 IP 都会通过 Virtual IP 实现高可用 |
| RIP (RealServer IP) | 负载均衡后端的真实服务器 IP 地址 |
| DIP | 负载均衡与后端服务器通信的 IP 地址 |
| CMAC | 客户端 MAC 地址，LVS 连接的路由器的 MAC 地址 |
| VMAC | 负载均衡 LVS 的 VIP 对应的 MAC 地址 |
| DMAC | 负载均衡 LVS 的 DIP 对应的 MAC 地址 |
| RMAC | 后端真实服务器的 RIP 地址对应的 MAC 地址 |
| 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） |
| -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 |
| -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 -lnjiu |
实验详情点击下方链接
部署LVS-NAT群集实验
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，单台服务器无法满足负载均衡及高可用的需求。
