集群：

随着互联网的发展，大量的客户端的请求，服务器的负载越来越大，单台服务器的负载有限，会导致服务器响应客户端请求的时间越长，甚至产生拒绝服务的情况。目前网站是24小时不间断提供网络服务，仅采用单点服务器对外提供要求，如果出现单点故障，会导致整个网络的中断。集群环境的核心是负载均衡和高可用。

常见的负载均衡器

根据工作在的协议层划分可划分为：

  • 四层负载均衡：根据请求报文中的目标地址和端口进行调度
  • 七层负载均衡：根据请求报文的内容进行调度，这种调度属于「代理」的方式

根据软硬件划分：

  • 硬件负载均衡：

    • F5 的 BIG-IP
    • Citrix 的 NetScaler
    • 这类硬件负载均衡器通常能同时提供四层和七层负载均衡，但同时也价格不菲
  • 软件负载均衡：
    • TCP 层：LVS，HaProxy，Nginx
    • 基于 HTTP 协议：Haproxy，Nginx，ATS（Apache Traffic Server），squid，varnish
    • 基于 MySQL 协议：mysql-proxy

LVS

LVS 是一个工作在四层的负载均衡器，它的实现和 iptables/netfilter 类似，工作在内核空间的 TCP/IP 协议栈上，LVS 工作在 INPUT Hook Funtion 上，并在 INPUT 设置附加规则，一旦客户端请求的是集群服务，LVS 会强行修改请求报文，将报文发往 POSTROUTING，转发至后端的主机。

和 iptables/netfilter 类似，LVS 也是两段式的：

  • ipvsadm：工作在用户空间，负责定义和管理集群服务的规则
  • ipvs：工作在内核中，在 2.4.23 之前，必须向内核打补丁，并重新编译内核。在 2.4.23 和 2.6 之后的版本，ipvs 直接内置在内核中。

LVS 集群的设备地址命名

  • VIP：Virtual IP，LVS 面向用户请求的 IP 地址
  • RIP：Real server IP，后端服务器用于和 LVS 通信的 IP 地址
  • DIP：Director IP，LVS 用户和后端服务器通信的 IP 地址
  • CIP：Client IP，客户端 IP 地址

lvs有三种模式：

1）基于NAT的lvs负载均衡

LVS-NAT 模型类似于 DNAT，工作机制与 DNAT 一样，当客户端请求的是集群服务时，LVS 修改请求报文的目标地址为 RIP，转发至后端的 RealServer，并修改后端响应报文的源地址为 VIP，响应至客户端。

在 LVS-NAT 模型下，Director 进出请求报文都经过 Director，因此 Director 的压力是比较大的。

LVS-NAT 的特性：

  • 集群节点跟 Director 必须在同一个 IP 网络中
  • RIP 通常是私有地址，仅用于各集群节点间的通信
  • Director 位于 client 和 Realserver 之间，负责处理进出的所有报文
  • Realserver 必须将网关指向 DIP
  • 支持端口映射
  • 较大规模应用场景中，Director 易成为系统瓶颈（bottleneck）

2）基于TUN的lvs负载均衡

和 DR 模型类似，Realserver 都配有不可见的 VIP，Realserver 的 RIP 是公网地址，且可能和 DIP 不再同一网络中。当请求到达 Director 后，Director 不修改请求报文的源 IP 和目标 IP 地址，而是使用 IP 隧道技术，使用 DIP 作为源 IP，RIP 作为目标 IP 再次封装此请求报文，转发至 RIP 的 Realserver 上，Realserver 解析报文后仍然使用 VIP 作为源地址响应客户端。

LVS-TUN 的特性：

  • 集群节点和可以跨越 Internet
  • RIP，DIP，VIP 都是公网地址
  • Director 仅负责处理入站请求，响应报文由 Realserver 直接发往客户端
  • Realserver 使用自己的网关而不是 Director
  • Realserver 只能使用支持隧道功能的操作系统
  • 不支持端口映射

3）基于DR的lvs负载均衡

DR 值 Direct Routing，直接路由，DR 模型中，Director 和 Realserver 处在同一网络中，对于 Director，VIP 用于接受客户端请求，DIP 用于和 Realserver 通信。对于 Realserver，每个 Realserver 都配有和 Director 相同的 VIP（此 VIP 隐藏，关闭对 ARP 请求的响应），仅用户响应客户端的请求，RIP 用于和 Director 通信。

当客户端请求集群服务时，请求报文发送至 Director 的 VIP（Realserver的 VIP 不会响应 ARP 请求），Director 将客户端报文的源和目标 MAC 地址进行重新封装，将报文转发至 Realserver，Realserver 接收转发的报文。此时报文的源 IP 和目标 IP 都没有被修改，因此 Realserver 接受到的请求报文的目标 IP 地址为本机配置的 VIP，它将使用自己的 VIP 直接响应客户端。

LVS-DR 模型中，客户端的响应报文不会经过 Director，因此 Director 的并发能力有很大提升。

LVS-DR 模型的特性：

DR 值 Direct Routing，直接路由，DR 模型中，Director 和 Realserver 处在同一网络中，对于 Director，VIP 用于接受客户端请求，DIP 用于和 Realserver 通信。对于 Realserver，每个 Realserver 都配有和 Director 相同的 VIP（此 VIP 隐藏，关闭对 ARP 请求的响应），仅用户响应客户端的请求，RIP 用于和 Director 通信。

当客户端请求集群服务时，请求报文发送至 Director 的 VIP（Realserver的 VIP 不会响应 ARP 请求），Director 将客户端报文的源和目标 MAC 地址进行重新封装，将报文转发至 Realserver，Realserver 接收转发的报文。此时报文的源 IP 和目标 IP 都没有被修改，因此 Realserver 接受到的请求报文的目标 IP 地址为本机配置的 VIP，它将使用自己的 VIP 直接响应客户端。

LVS-DR 模型中，客户端的响应报文不会经过 Director，因此 Director 的并发能力有很大提升。

LVS-DR 模型的特性：

  • 保证前端路由器将目标地址为 VIP 的报文通过 ARP 解析后送往 Director。

    • 静态绑定：在前端路由将 VIP 对应的目标 MAC 地址静态配置为Director VIP 接口的 MAC 地址。
    • arptables：在各 Realserver 上，通过 arptables 规则拒绝其响应对 VIP 的 ARP 广播请求
    • 修改内核参数：在 Realserver 上修改内核参数，并结合地址的配置方式实现拒绝响应对 VIP 的 ARP 广播请求
  • 各RIP 必须与 DIP 在同一个物理网络中
  • RS 的 RIP 可以使用私有地址，也可以使用公网地址，以方便配置
  • Director 仅负责处理入站请求，响应报文由 Realserver 直接发往客户端
  • Realserver 不能将网关指向 DIP，而直接使用前端网关
  • 不支持端口映射

LVS调度算法：

当 LVS 接受到一个客户端对集群服务的请求后，它需要进行决策将请求调度至某一台后端主机进行响应。LVS 的调度算法共有 10 种，按类别可以分为动态和静态两种类型。

轮询调度：

rr　　　　　　简单在各主机间轮流调度

加权轮询调度：

wrr　　　　根据各主机的权重进行轮询

最小连接调度：

lc　　　　 根据 overhead = active*256 + inactive 计算服务器的负载状态，每次选择 overhead 最小的服务器

加权最小连接调度：

wlc　　LVS 根据 overhead = (active*256+inactive)/weight 来计算服务器负载，每次选择 overhead 最小的服务器，它是 LVS 的默认调度算法

基于局部性的最少连接：

lblc　　基于本地的最少连接，相当于 dh + wlc，正常请求下使用 dh 算法进行调度，如果服务器超载，则使用 wlc 算法调度至其他服务器

带复制的基于局部性的最少连接:

lblcr 与 LBLC 不同的是 LVS 将请求 IP 映射至一个服务池中，使用 dh 算法调度请求至对应的服务池中，使用 lc 算法选择服务池中的节点，当服务池中的所有节点超载，使用 lc 算法从所有后端 Realserver 中选择一个添加至服务吃中。

目标地址散列调度

dh 　　将请求的目标地址进行哈希，将相同 IP 的请求发送至同一主机，dh 机制的目的是，当 Realserver 为透明代理缓存服务器时，提高缓存的命中率。

原地址散列调度

sh：source hash，源地址哈希，对客户端地址进行哈希计算，保存在 Director 的哈希表中，在一段时间内，同一个客户端 IP 地址的请求会被调度至相同的 Realserver。sh 算法的目的是实现 session affinity（会话绑定），但是它也在一定程度上损害了负载均衡的效果。如果集群本身有 session sharing 机制或者没有 session 信息，那么不需要使用 sh 算法

ipvsadm

ipvsadm 用于配置 LVS 的调度规则，管理集群服务和 Realserver

管理集群服务

添加：-A -t|u|f service-address [-s scheduler]

　　　　-t: TCP协议的集群

　　　　-u: UDP协议的集群

　　　　　　　　service-address: IP:PORT

　　　　-f: FWM: 防火墙标记

　　　　　　　　service-address: Mark Number

修改：-E

删除：-D -t|u|f service-address

例如： # ipvsadm -A -t 10.10.0.1:80 -s rr

管理集群服务中的 RS

添加：-a -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]

　　　　 -t|u|f service-address：事先定义好的某集群服务

　　　　 -r server-address: 某RS的地址，在NAT模型中，可使用IP：PORT实现端口映射；

　　　　 [-g|i|m]: LVS类型

　　　　　　-g: DR

　　　　　　-i: TUN

　　　　　　-m: NAT

　　　　[-w weight]: 定义服务器权重

修改：-e

删除：-d -t|u|f service-address -r server-address

例如：

# ipvsadm -a -t 10.10.0.2:80 -r 192.168.10.8 -m

# ipvsadm -a -t 10.10.0.3:80 -r 192.168.10.9 -m

查看规则

-L|-l

-n：数字格式显式主机地址和端口

--stats：统计数据

--rate: 速率

--timeout: 显示tcp、tcpfin和udp的会话超时时长

-c: 显示当前的ipvs连接状况

删除所有的集群服务：

-C：清空 ipvs规则

保存规则：

-S

比如：ipvsadm -S > /path/to/somefile

载入保存的规则

-R

比如：ipvsadm -R < /path/from/somefile

这里介绍下DR工作模式的负载均衡

LVS负载均衡调度器设置，修改配置文件

ROUTER:

外网接口（eno16）    124.126.147.169

内网接口（eno33）    192.168.0.253

lvs.example.com

eno16(VIP)            124.126.147.168

eno33                    192.168.0.254

web1.example.com

eno16                    192.168.0.1

lo:(VIP)                124.126.147.168

web2.example.com

eno16                    192.168.0.2

lo:(VIP)                124.126.147.168

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eno16

DEVICE=eno16

BOOTPROTO=statci

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=124.126.147.168

DNS1=202.106.0.20

NETMASK=255.255.255.0

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eno33

DEVICE=eno33

BOOTPROTO=statci

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=192.168.0.254

DNS1=202.106.0.20

NETMASK=255.255.255.0

systemctl restart network

安装ipvsadm管理工具，创建虚拟服务，添加真实服务器组，为虚拟服务器设置适当的调度算法

yum -y install ipvsadm

ipvsadm -A -t 124.126.147.168: -s wrr

ipvsadm -a -t 124.126.147.168: -r 192.168.0.1: -g -w

ipvsadm -a -t 124.126.147.168: -r 192.168.0.2: -g -w

-A:添加虚拟服务

-t：TCP协议

-r：真实IP（RIP）

-g：DR模式

ipvsadm -Sn > /etc/sysconfig/ipvsadm  保存调度规则

firewall-cmd --permanent --add-port=/tcp

firewall-cmd --reload

真实的web服务器设置如下（测试将web页面内容设置不同的内容，真实的生产环境服务器都提供相同的页面内容）

注意：调度器和真实服务器都设置了vip，所以这里要求所有的真实服务器禁止对VIP地址的ARP响应，通过配置arp_ignore和arp_announce来实现

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eno16

DEVICE=eno16

BOOTPROTO=statci

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=192.168.0.1

NETMASK=255.255.255.0

GATEWAY=192.168.0.253

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:

DEVICE=lo:

BOOTPROTO=statci

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=124.126.147.168

NETMASK=255.255.255.255

GATEWAY=192.168.0.253

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.conf.eno16.arp_ignore =

net.ipv4.conf.eno16.arp_announce =

net.ipv4.conf.all.arp_ignore =

net.ipv4.conf.all.arp_announce =

sysctl -p

yum -y install httpd

systemctl restart httpd

systemctl restart network

echo "192.168.0.1" > /var/www/html/index.html

firewall-cmd --permanent --add-port=/tcp

firewall-cmd --reload

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eno16

DEVICE=eno16

BOOTPROTO=statci

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=192.168.0.2

NETMASK=255.255.255.0

GATEWAY=192.168.0.253

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:

DEVICE=lo:

BOOTPROTO=statci

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=124.126.147.168

NETMASK=255.255.255.255

GATEWAY=192.168.0.253

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.conf.eno16.arp_ignore =

net.ipv4.conf.eno16.arp_announce =

net.ipv4.conf.all.arp_ignore =

net.ipv4.conf.all.arp_announce =

sysctl -p

yum -y install httpd

systemctl restart httpd

systemctl restart network

echo "192.168.0.2" > /var/www/html/index.html

firewall-cmd --permanent --add-port=/tcp

firewall-cmd --reload

路由器采用Linux作为软件路由来实现本例：

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eno16

DEVICE=eno16

BOOTPROTO=static

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=192.168.0.253

NETMASK=255.255.255.0

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eno33

DEVICE=eno33

BOOTPROTO=static

ONBOOT=yes

TYPE=Ethernet

IPADDR=124.126.147.168

NETMASK=255.255.255.255

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_forward = 

sysctl -p

systemctl restart network

客户端使用浏览器访问http://124.126.147.168,最终可以访问到真实服务器所提供的页面内容，由于lvs采用WRR（加权轮询）算法，不同的请求将被分配到不同的后端服务器上，但服务器的优先级是不同的，本例中由于所有的页面都不相同，所以访问后得到不同的页面内容。

arp_ignore用来定义网卡在响应外部ARP请求时的响应级别

0：默认值，在任何网络接口收到ARP请求后，如果本机的任意接口有该ip，则予以响应

1：只回答目标IP地址是来访网络接口本地地址的ARP查询请求

2 -只回答目标IP地址是来访网络接口本地地址的ARP查询请求,且来访IP必须在该网络接口的子网段内

arp_announce:对网络接口上，本地IP地址的发出的，ARP回应，作出相应级别的限制: 确定不同程度的限制,宣布对来自本地源IP地址发出Arp请求的接口

0 - (默认) 在任意网络接口（eth0,eth1，lo）上的任何本地地址

1 -尽量避免不在该网络接口子网段的本地地址做出arp回应. 当发起ARP请求的源IP地址是被设置应该经由路由达到此网络接口的时候很有用.此时会检查来访IP是否为所有接口上的子网段内ip之一.如果改来访IP不属于各个网络接口上的子网段内,那么将采用级别2的方式来进行处理.

2 - 对查询目标使用最适当的本地地址.在此模式下将忽略这个IP数据包的源地址并尝试选择与能与该地址通信的本地地址.首要是选择所有的网络接口的子网中外出访问子网中包含该目标IP地址的本地地址. 如果没有合适的地址被发现,将选择当前的发送网络接口或其他的有可能接受到该ARP回应的网络接口来进行发送.

关于对arp_announce 理解的一点补充：

其实就是路由器的问题，因为路由器一般是动态学习ARP包的（一般动态配置DHCP的话），当内网的机器要发送一个到外部的ip包，那么它就会请求 路由器的Mac地址，发送一个arp请求，这个arp请求里面包括了自己的ip地址和Mac地址，而linux默认是使用ip的源ip地址作为arp里面 的源ip地址，而不是使用发送设备上面的 ，这样在lvs这样的架构下，所有发送包都是同一个VIP地址，那么arp请求就会包括VIP地址和设备 Mac，而路由器收到这个arp请求就会更新自己的arp缓存，这样就会造成ip欺骗了，VIP被抢夺，所以就会有问题。

arp缓存为什么会更新了，什么时候会更新呢，为了减少arp请求的次数，当主机接收到询问自己的arp请求的时候，就会把源ip和源Mac放入自 己的arp表里面，方便接下来的通讯。如果收到不是询问自己的包（arp是广播的，所有人都收到），就会丢掉，这样不会造成arp表里面无用数据太多导致 有用的记录被删除。

在设置参数的时候将arp_ignore 设置为1，意味着当别人的arp请求过来的时候，如果接收的设备上面没有这个ip，就不做出响应，默认是0，只要这台机器上面任何一个设备上面有这个ip，就响应arp请求，并发送mac地址

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