LVS负载均衡集群

一、集群概述

1. 什么是集群

Cluster:集群，同一个业务系统，部署在多台服务器上。集群中，每台服务器实现功能无差别，数据和代码都是一样的。

2. 为什么要使用集群

2.1 原因

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。

2.2 解决方法

• 使用价格昂贵的小型机、大型机。（纵向扩容）
• 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务群集。（横向扩容）

2.3 LVS集群技术

• 在企业中常用的一种群集技术一LVS （Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器）
• 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. 集群的优点

• 提高性能：计算密集应用。如天气预报，核试验模拟。
• 降低成本：相对百万美元的超级计算机，价格便宜。
• 提高可扩展性：只要增加集群节点即可。
• 增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。

二、企业集群分类

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

1. 负载均衡群集（LB 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、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压力。例如，“DNS轮询”、“反向代理” 等。

2. 高可用集群（HA Cluster)

• 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。

3. 高性能运算集群（HPC 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”、 “网格计算”等。

三、LVS负载均衡集群

1. 负载均衡集群架构

• 负载调度器 （负载均衡层）

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。

• 服务器池 （WEB应用层）

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。

• 共享存储 （确保多台服务器使用的是相同的资源）

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。

（因为节点服务器的资源都是由NAS或NFS提供，所以NAS或NFS需要做主备、或分布式，从而实现高可用。）

 

 

2. LVS功能

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。

2.1 应用于高访问量

如果您的应用访问量很高，可以通过配置监听规则将流量分发到不同的云服务器 ECS（Elastic Compute Service 弹性计算服务）实例上。此外，可以使用会话保持功能将同一客户端的请求转发到同一台后端ECS

2.2 扩展应用程序

可以根据业务发展的需要，随时添加和移除ECS实例来扩展应用系统的服务能力，适用于各种Web服务器和App服务器。

2.3 消除单点故障

可以在负载均衡实例下添加多台ECS实例。当其中一部分ECS实例发生故障后，负载均衡会自动屏蔽故障的ECS实例，将请求分发给正常运行的ECS实例，保证应用系统仍能正常工作

2.4 同城容灾

为了提供更加稳定可靠的负载均衡服务，阿里云负载均衡已在各地域部署了多可用区以实现同地域容灾。当主可用区出现机房故障或不可用时，负载均衡仍然有能力在非常短的时间内（如：大约30s中断）切换到另外一个备可用区恢复服务能力；当主可用区恢复时，负载均衡同样会自动切换到主可用区提供服务。使用负载均衡时，您可以将负载均衡实例部署在支持多可用区的地域以实现同城容灾。此外，建议您结合自身的应用需要，综合考虑后端服务器的部署。如果您的每个可用区均至少添加了一台ECS实例，那么此种部署模式下的负载均衡服务的效率是最高的。

 

3. LVS负载均衡集群的工应用于作模式

负载均衡群集是目前企业用得最多的群集类型。

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

通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR模式。

3.1 LVS的NAT模式（地址转换）

 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

• 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。
• 缺点：由于NAT的负载均衡器既作为用户的访问请求入口，也作为节点服务器响应请求的出口，承载两个方向的压力，调度器的性能会成为整个集群的瓶颈。

                                            

 

 

3.2 TUN模式（隧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。承载的压力比NAT小。
• 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。
• 缺点：成本很高。
• 这种模式一般应用于特殊场景，比如将节点服务器分布在全国各地，防止被物理攻击（如地震、战争等），做灾备。

                                          

 

 

3.3 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，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。承载的压力比NAT小。
• 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。

                                             

 

 4. LVS调度算法

 RR：轮询，每个服务器分配一次反复轮询。

WRR：加权轮询，根据管理员给每个服务器添加的weight权重分配用户请求任务，默认全部是1。

LC：最小连接数轮询，查看那个服务器处理的请求最少则处理，以此类推。

SH：session或者源地址hash分配，通过用户来源地址hash算法将分配给固定的服务器处理。

DH：模板地址hash，通过用户访问目的地址hash算法将，分配给固定的服务器处理。 

 WLC：加权最小连接数

 

 5. ipvsadm工具

ipvsadm是LVS负载均衡的真实服务名称。

-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: 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