LVS系列一、LVS集群-NAT模式
一、 集群概述
1、 什么是集群？
一组各自相互独立且又相互依赖的,通过高速网络互联的计算机组成的一个计算机组, 以单一的系统模式加以管理, 为用户提供服务, 对用户来说, 用户只会认为对方是一个服务. 这个里面, 一组计算机的一台计算机就是集群的一个节点
2、 集群的特性：
可伸缩性, 可靠性, 可管理性
3、 应用场景：
例：一台服务器 如果能够响应10000个并发
如果现在有20000个并发 一台服务器就无法响应
说明，web服务已经达到瓶颈
解决这个问题的办法:
加配置: 加CPU, 加内存, 加带宽, 加SSD 这种解决方法称为“向上扩展”, 能够解决一时, 却不能持久一世[单台服务器上做动作]
加服务器: 一台==>两台, 两台==>四台 四台==>8台 使用多台服务器同时为用户提供服务 ，而这一种解决方法则称为“横向扩展”或“向外扩展”
向外扩展: 就是集群
4、 集群的种类：
集群系统主要分为
负载均衡(Load Balance)集群，简称 LB
高可用(High Availability)集群，简称 HA 集群
高性能计算(High Perfermance Computing)集群，简称 HPC 集群
5、 LB实现手段
硬件的实现： – F5 负载均衡器
软件的实现： – LVS(4层，传输层) – Nginx(7层，应用层)
二、 LVS集群
1、LVS(Linux Virtual Server)
LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。本项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一，是根据iptables的实现来开发的，所以使用时候会和iptables相当类似
官网：http://www.linuxvirtualserver.org/
中文站点： http://zh.linuxvirtualserver.org/
2、 LVS 集群工作结构图：
负载调度器 (分发器Load Balancer, Director): 整个集群对外的最前端机, 负责接收用户请求, 并且根据自己的调度算法, 将请求转发到后端真实服务器上的动作，而客户认为服务是来自一个IP地址（我们可称之为VIP虚拟IP地址）上的。
服务器池(Server Pool)： 真正为用户提供服务的服务器, 每一台服务器就是一台RS[RealServer]，执行的服务有WEB、MAIL、FTP和DNS等。
共享存储(Shared Storaged)： 为RS保持相同内容, 提供数据的一致性，也就是说，它为服务器池提供一个共享的存储区，这样很容易使得服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务。
三、 LVS模式及工作原理
1 、 LVS(4层) 模式：
LVS/NAT
LVS/DR
LVS/TUN
2、 LVS负载均衡的三种包转发方式
LVS提供了三种包转发方式：NAT(网络地址映射)、IP Tunneling(IP隧道)、Direct Routing(直接路由)。不同的转发模式决定了不同的cluster的网络结构
3、 NAT(网络地址映射)
NAT: 网络地址转换
DNAT: 目标地址转换 改变的是目标地址
SNAT: 原地址转换 改变的是原地址
LVS-NAT: 就是使用的SNAT和DNAT完成报的转发
NAT方式可支持任何的操作系统，以及私有网络，并且只需一个Internet IP地址，但是整个系统的性能受到限制。因为执行NAT每次需要重写包，有一定的延迟；另外，大部分应用有80%的数据是从服务器流向客户机，也就是用户的请求非常短，而服务器的回应非常大，对负载均衡器形成很大压力，成为了新的瓶颈。
4、 IP Tunneling(IP隧道)
Director（分发器）分配请求到不同的real server。real server处理请求后直接回应给用户，这样director负载均衡器仅处理客户机与服务器的一半连接。IP Tunneling技术极大地提高了director的调度处理能力，同时也极大地提高了系统能容纳的最大节点数，可以超过100个节点。real server可以在任何LAN或WAN上运行，这意味着允许地理上的分布，这在灾难恢复中有重要意义。服务器必须拥有正式的IP地址用于与客户机直接通信，并且所有服务器必须支持IP隧道协议。
5 、 Direct Routing(直接路由)
与IP Tunneling类似，负载均衡器仅处理一半的连接，避免了新的性能瓶颈，同样增加了系统的可伸缩性。Direct Routing与IP Tunneling相比，没有IP封装的开销，但由于采用物理层（修改MAC地址）技术，所有服务器都必须在一个物理网段。
6 、 LVS-NAT 模式工作原理：
客户端访问调度器时，调度器通过网络地址转换，调度器重写请求报文的目标地址，根据预设的调度算法，将请求分派给后端的真实服务器；真实服务器的响应报文通过调度器时，报文的源地址被重写，再返回给客户，完成整个负载调度过程。
如图：
步骤1：客户端访问VIP1的网站
图上各IP注解：
CIP 客户端的IP
VIP 是域名解析的IP, 是集群对外的公网IP
DIP 用来和后端服务器进行数据交互的IP, 请求报文转发给后端服务器从此口出去
RIP 真实服务器的IP
步骤2：客户端访问调度器时，调度器通过网络地址转换，调度器重写请求报文的目标地址，根据预设的调度算法，将请求分派给后端的真实服务器；
步骤3：真实服务器的响应报文通过调度器时，报文的源地址被重写，再返回给客户，完成整个负载调度过程。
步骤总结及过程地址变化：
1: 客户端请求访问www.example.com[www.example.com ===> VIP]
源地址: CIP 目标地址: VIP
2: 请求报文到达负载均衡器
源地址: CIP 目标地址: RIP
3: RealServer收到报文处理, 响应
源地址: RIP 目标地址: CIP
4: 负载调度器收到报文, 根据自身之前的转发修改记录, 还原报文
源地址: VIP 目标地址: CIP
四、 实战：配置LVS-NAT
1 、 实例1： LVS NAT模式
实验前期准备：
1、准备3台主机
2、iptables -F , 清除规则
3、/etc/selinux/config,关SELinux
#getenforce Disabled
2、 真实环境中的拓扑图
3、 集群各节点IP注解：
客户端计算机的IP（CIP）：可能是一个本地的、与VIP在同一网络的私有ip地址，或者是一个因特网上的公共ip地址。用作向集群发送请求的源ip地址
虚拟IP（VIP）：Director用于向客户端提供服务的ip地址
Director的IP（DIP）：在Director的VIP上接收访问集群服务的请求，这些请求通过DIP转发出去抵达各个集群节点
真实real server IP（RIP）：在LVS术语中，向外部世界提供服务的节点叫做真实服务器，因此在真实服务器上使用的ip地址叫做真实ip地址（RIP）。
精简版，实验拓扑图：
说明：客户端只要求能够访问到VIP即可。
4、配置LVS：
xuegod63配置成分发器：
1、打开路由转发功能
[root@xuegod63 ~]# vim /etc/sysctl.conf
改：net.ipv4.ip_forward = 0
为：net.ipv4.ip_forward = 1
让配置生效：
[root@xuegod63 ~]# sysctl -p
2、配置网络环境：
添加一个网卡（需要两张网卡）， 配置成以下网络环境：
eth0 192.168.1.63 模式：br0 模拟公网
eth1 192.168.2.63 模式：vmnet4 模拟内网
Director分发器：需不需要开启80（服务的）端口 ？
5、 安装: LVS管理工具： ipvsadmin
[root@xuegod63 Packages]# pwd
/mnt/Packages
[root@xuegod63 Packages]# rpm -ivh ipvsadm-1.25-9.el6.x86_64.rpm
或：yum install ipvsadm
6 、 使用ipvsadm命令设置规则：
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -A -t 192.168.1.63:80 -s rr rr代表轮循
选项：
-A 添加虚拟服务器
-t 表示TCP的服务 VIP：PORT
-s 指定调度算法 rr表示round-robin 轮循
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -a -t 192.168.1.63:80 -r 192.168.2.64 -m
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -a -t 192.168.1.63:80 -r 192.168.2.62 -m
选项：
-a 表示添加real server的地址
-r 指定real server的IP地址
-m 表示masquerade 也就是NAT方式的LVS
7 、查看：
Ipvsadm命令，用于配置及查看内核IPVS表和算法的工具，类似于iptables
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -L -n
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 192.168.1.63:80 rr
-> 192.168.2.62:80 Masq 1 0 0
-> 192.168.2.64:80 Masq 1 0 0
8 、 保存配置或规则
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm --save > /etc/sysconfig/ipvsadm
或ipvsadm -S 保存以上的配置
Saving IPVS table to /etc/sysconfig/ipvsadm: [确定]
9 、 配置真实服务器
RealServer：在xuegod62和xuegod64上面配置：
准备：
1、配置IP：REAL SERVER自己的网络相关信息配置成如下：
xuegod62： eth0： vmnet4 ： 192.168.2.62 网关： 192.168.2.63
xuegod64： eth0： vmnet4 ： 192.168.2.64 网关： 192.168.2.63
2、配置xuegod64为realserver， 并启web服务
[root@xuegod64 ~]# yum install -y httpd
[root@xuegod64 ~]# systemctl restart httpd
[root@xuegod64 ~]# echo "192.168.2.64" > /var/www/html/index.html #（实验期间，各个服务器的页面不同）
3、配置xuegod62为realserver， 并启web服务
[root@xuegod62 ~]# yum install -y httpd
[root@xuegod62 ~]# systemctl restart httpd
[root@xuegod62 ~]# echo "192.168.2.62" > /var/www/html/index.html #（实验期间，各个服务器的页面不同）
10 、 测试：
在xuegod63上测试：
[root@xuegod63 ~]# yum install elinks
测试realserver ：
[root@xuegod63 ~]# elinks 192.168.2.64
[root@xuegod63 ~]# elinks 192.168.2.64 --dump
192.168.2.64
[root@xuegod63 ~]# elinks 192.168.2.62 --dump
192.168.2.62
11 、 测试VIP：
[root@xuegod63 ~]# elinks 192.168.1.63 --dump
192.168.2.62
访问： 在物理上打开浏览器访问： 每按F5刷新一次，就会变换一个页面。
分发器需要监听80 吗？不需要
12 扩展ipvsadm 更多参数说明
-L -n ==> 查看规则，显示内核虚拟服务器表
-L -n -c ==> 查看客户端连接分发器和real server 的情况
例1：
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -L -n -c
IPVS connection entries
pro expire state source virtual destination
TCP 01:33 TIME_WAIT 192.168.1.100:49698 192.168.1.70:80 192.168.2.62:80
TCP 01:26 TIME_WAIT 192.168.1.100:49690 192.168.1.70:80 192.168.2.64:80
TCP 01:57 TIME_WAIT 192.168.1.100:49739 192.168.1.70:80 192.168.2.62:80
选项：
-L -n --stats ==> 查看分发情况
-L -n --rate ==> 查看速率
-Z --zero 虚拟服务表计数器清零（清空当前的连接数量等）
例2：
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -Z
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -L -n --stats
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
选项： -Z --clear 清空IPVS的数据、等信息
例3：
[root@xuegod63 ~]# ipvsadm -C
选项： -C 清空所有规则
LVS的规则配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm
附录：ipvsadm命令选项解释：
-A --add-service 在内核的虚拟服务器表中添加一条新的虚拟服务器记录。也就是增加一台新的虚拟服务器。
-E --edit-service 编辑内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-D --delete-service 删除内核虚拟服务器表中的一条虚拟服务器记录。
-C --clear 清除内核虚拟服务器表中的所有记录。
-R --restore 恢复虚拟服务器规则
-S --save 保存虚拟服务器规则，输出为-R 选项可读的格式
-a --add-server 在内核虚拟服务器表的一条记录里添加一条新的真实服务器记录。也就是在一个虚拟服务器中增加一台新的真实服务器
-e --edit-server 编辑一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-d --delete-server 删除一条虚拟服务器记录中的某条真实服务器记录
-L|-l --list 显示内核虚拟服务器表
-Z --zero 虚拟服务表计数器清零（清空当前的连接数量等）
--set tcp tcpfin udp 设置连接超时值
--start-daemon 启动同步守护进程。他后面可以是master 或backup，用来说明LVS Router 是master 或是backup。在这个功能上也可以采用keepalived的VRRP 功能。
--stop-daemon 停止同步守护进程
-h --help 显示帮助信息
其他的选项:
-t --tcp-service service-address 说明虚拟服务器提供的是tcp 的服务[vip:port] or [real-server-ip:port]
-u --udp-service service-address 说明虚拟服务器提供的是udp 的服务[vip:port] or [real-server-ip:port]
-f --fwmark-service fwmark 说明是经过iptables 标记过的服务类型。
-s --scheduler scheduler 使用的调度算法，有这样几个选项rr|wrr|lc|wlc|lblc|lblcr|dh|sh|sed|nq,默认的调度算法是： wlc.
-p --persistent [timeout] 持久稳固的服务。这个选项的意思是来自同一个客户的多次请求，将被同一台真实的服务器处理。timeout 的默认值为300 秒。
-M --netmask netmask persistent granularity mask
-r --real-server server-address 真实的服务器[Real-Server:port]
-g --gatewaying 指定LVS 的工作模式为直接路由模式（也是LVS 默认的模式）
-i --ipip 指定LVS 的工作模式为隧道模式
-m --masquerading 指定LVS 的工作模式为NAT 模式
-w --weight weight 真实服务器的权值
--mcast-interface interface 指定组播的同步接口
-c --connection 显示LVS 目前的连接 如：ipvsadm -L -c
--timeout 显示tcp tcpfin udp 的timeout 值 如：ipvsadm -L --timeout
--daemon 显示同步守护进程状态
--stats 显示统计信息
--rate 显示速率信息
--sort 对虚拟服务器和真实服务器排序输出
--numeric -n 输出IP 地址和端口的数字形式
超时时间用ipvsadm --set tcp tcpfin udp设置，比如
#ipvsadm --set 120 20 100
表示tcp空闲等待时间为120 秒
客户端关闭链接等待时间为20秒
udp空闲等待为100秒
