一、企业群集应用概述
1、群集的含义
• Cluster、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地址)，相当于一台大型计算机
2、问题及解决方法
问题：
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，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用的要求
解决方法：
• 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
在企业中常用的一种群集技术–LVS（Linux virtual server,linux虚拟服务器）
注：通过整合多台服务器，使用LVS来达到服务器的高可用和负载均衡，并以同一个IP地址对外提供相同的服务
3、根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型
• 负载均衡群集
• 高可用群集
• 高性能运算群集
3.1 负载均衡群集（Load Balance Cluster）
• 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的负载分担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压力。例如 "反向代理 "
3.2 高可用群集（High Availability Cluster）
• 提高应用系统的可靠性、尽可能的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
3.3 .高性能运算群集（High Performance Computer Cluster）
• 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” “网路计算”等
二、负载均衡群集架构
1、负载均衡的结构
• 第一层，负载调度器（Load Balancer或Director）
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
• 第二层，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
• 第三层，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
2、负载均衡群集工作模式分析
负载均衡群集是目前企业用的最多的群集类型
群集的负载调度技术有三种工作模式
• 地址转换
• IP隧道
• 直接路由
2.1 NAT模式（地址转换）
• 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路，安全性要优于其他两种方式
原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包发送给负载均衡器，负载均衡器在接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端
优点：集群中的服务器可以使用任何支持TCP/IP的操作系统，只要负载均衡器有一个合法的IP地址
缺点：扩展性有限，当服务器节点增长过多时，由于所有的请求和应答都需要经过负载均衡器，因此负载均衡器将成为整个系统的瓶颈
2.2、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lnternet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
原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求报文封装一层IP隧道（T-IP）转发到真实服务器（RS）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器
优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，也能处理很巨大的请求量
缺点：隧道模式的RS节点需要合法IP，这种方式需要所有的服务器支持“IP Tunneling”
2.3、 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
原理：首先负载均衡器接收到客户的请求数据包时，根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后负载均衡器就把客户端发送的请求数据包的目标MAC地址改成后端真实服务器的MAC地址（R-MAC）。真实服务器响应完请求后，查看默认路由，把响应后的数据包直接发送给客户端，不需要经过负载均衡器
优点：负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器，而RS将应答包直接发给用户。所以，减少了负载均衡器的大量数据流动，负载均衡器不再是系统的瓶颈，也能处理很巨大的请求量
缺点：需要负载均衡器与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上，必须在同一个局域网环境
3、关于LVS虚拟服务器
Linux Virtual Server 是针对 Linux 内核开发的一个负载均衡项目，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。
LVS 现在已成为 Linux 内核的一部分，默认编译为 ip_vs 模块，必要时能够自动调用。 在 CentOS 7 系统中，以下操作可以手动加载 ip_vs 模块，并查看当前系统中 ip_vs 模块的 版本信息。
modprobe ip_vs #手动加载ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs #查看当前ip_vs模块版本信息
4、LVS 的负载调度算法
4.1 轮询 （Round Robin）
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，而不是服务器实际的连接数和系统负载
4.2 加权轮询（Weighted Round Robin）
根据调度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
4.3 最少连接 （Least Connections）
根据真实服务器已建立的连接进行分配，将收到的访问请求优先分配给连接数最少的节点
4.4 加权最少连接（Weighted Least 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
性能较高的节点承担更大比例的活动连接负载
5、使用 ipvsadm 管理工具
ipvsadm是在负载调度器上使用的LVS群集管理工具，通过调用ip_vs模块来添加、删除服务器节点 ，以 及查看群集的运行状态。在CentOS7系统中，需要手动安装ipvsadm.x86_64 0:1.27-7.el7 软件包。
LVS 群集的管理工作主要包括创建虚拟服务器、添加服务器节点、查看群集节点状态、 删除服务器节点和保存负载分配策略。
ipvsadm 工具选项说明：
| 选项 | 解释 |
|---|---|
| -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 -ln |
常用术语解释：
CIP：Client IP，表示的是客户端 IP 地址。
VIP：Virtual IP，表示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，表示负载均衡后端的真实服务器 IP 地址。
DIP：Director IP，表示负载均衡与后端服务器通信的 IP 地址。
CMAC：客户端的 MAC 地址，准确的应该是 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。
三、NAT模式 LVS负载均衡群集部署的操作步骤
实验环境准备：
负载调度器：内网关 ens33：192.168.160.60，外网关 ens36：12.0.0.1
Web节点服务器1：192.168.160.30
Web节点服务器2：192.168.160.40
NFS服务器：192.168.160.50
客户端：12.0.0.55
1.部署共享存储（NFS服务器：192.168.160.50）
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service
systemctl enable rpcbind.service
systemctl enable nfs.service
mkdir /opt/xkq /opt/wey
chmod 777 /opt/xkq /opt/wy
echo 'this is xkq web!' > /opt/xkq/index.html
echo 'this is wy web!' > /opt/wy/index.html
vim /etc/exports
/opt/long 192.168.160.0/24(rw,sync)
/opt/mcl 192.168.160.0/24(rw,sync)
--发布共享---
exportfs -rv
2、配置节点服务器（192.168.160.30、192.168.160.40）
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
yum install httpd -y
systemctl start httpd.service
systemctl enable httpd.service
yum install nfs-utils rpcbind -y
showmount -e 192.168.2.100
systemctl start rpcbind.service
systemctl start nfs.service
systemctl enable rpcbind.service
systemctl enable nfs.service
--192.168.2.105---
mount.nfs 192.168.2.200:/opt/ly /var/www/html
vim /etc/fstab
192.168.2.100:/opt/kgc /myshare nfs defaults,_netdev 0 0
另一台节点服务器挂载如下：
--192.168.2.200---
mount.nfs 192.168.2.100:/opt/weq /var/www/html
vim /etc/fstab
192.168.2.200:/opt/benet /myshare nfs defaults,_netdev 0 0
3、配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.160.60，外网关 ens37：12.0.0.1）
systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0
3.1 配置SNAT转发规则
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1 #添加ip路由转发
或 echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl -p
iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.2.0/24 -o ens37 -j SNAT --to-source 12.0.0.1
3.2 加载LVS内核模块
modprobe ip_vs #加载 ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs #查看 ip_vs版本信息
##加载全部模块
for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F
filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done
3.3 安装ipvsadm 管理工具
yum -y install ipvsadm
--启动服务前须保存负载分配策略---
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或者 ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service
3.4 配置负载分配策略（NAT模式只要在服务器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
ipvsadm -C #清除原有策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.10:80 -m [-w 1] #添加真实ip
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.20:80 -m [-w 1] #添加真实ip
ipvsadm #启用策略
ipvsadm -ln #查看节点状态，Masq代表 NAT模式
ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm #保存策略
ipvsadm -d -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.2.200:80 -m [-w 1] #删除群集中某一节点服务器
ipvsadm -D -t 12.0.0.1:80 #删除整个虚拟服务器
systemctl stop ipvsadm #停止服务（清除策略）
systemctl start ipvsadm #启动服务（重建规则）
ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm #恢复LVS 策略
4、测试效果
网络设置里面网关需要设置为网关服务器
在一台IP为12.0.0.55的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.1/ ，不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点。
四、实例操作：NAT模式 LVS负载均衡群集部署
1、环境准备
1.1 网关服务器网卡配置（在虚拟机设置里面添加新网卡），内网关 ens33：192.168.160.60，外网关 ens36：12.0.0.1
1.2 web节点服务器以及NFS服务器的网关修改为负载调度器的内网网关ens33:192.168.160.30
Web节点服务器1：192.168.160.30
Web节点服务器2：192.168.160.40
NFS服务器：192.168.160.50
1.3 客户端IP和网关设置
1.4 关闭所有设备的防火墙和SElinux
2、部署共享存储（NFS服务器：192.168.160.50）
2.1 查看是否安装rpcbind、nfs-util并设置共享目录
2.2 启动NFS服务，发布NFS共享目录并查看
3、配置节点服务器（192.168.160.30、192.168.160.40）
3.1 配置节点服务器1（192.168.160.30）
3.2 配置节点服务器2（192.168.160.40）
4、配置负载调度器（内网关 ens33：192.168.160.60，外网关 ens36：12.0.0.1）
4.1 配置SNAT转发规则
4.2 加载LVS内核模块
4.3 安装ipvsadm 管理工具并启动服务
4.4 配置负载分配策略（NAT模式只要在服务器上配置，节点服务器不需要特殊配置）
5、浏览器中进行测试（不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点）
