LVS 集群

发布于：2024-05-09 ⋅ 阅读:(27) ⋅ 点赞:(0)

一、集群和分布式

系统性能扩展方式：

  • Scale UP：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

  • Scale Out：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

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？

1. 集群 Cluster

Cluster：集群,为解决某个特定问题将多台计算机组合起来形成的单个系统

Cluster分为三种类型：

  • LB： Load Balancing，负载均衡，多个主机组成，每个主机只承担一部分访问请求

  • HA： High Availiablity，高可用，避免 SPOF（single Point Of failure）

  • HPC： High-performance computing，高性能

MTBF:Mean Time Between Failure 平均无故障时间，正常时间
MTTR:Mean Time To Restoration（ repair）平均恢复前时间，故障时间
A = MTBF /（MTBF+MTTR） (0,1)：99%,99.5%,99.9%,99.99%,99.999%

SLA：服务等级协议（简称：SLA，全称：service level agreement）。是在一定开销下为保障服
务的性能和可用性，服务提供商与用户间定义的一种双方认可的协定。通常这个开销是驱动提供服
务质量的主要因素。在常规的领域中，总是设定所谓的三个9，四个9来进行表示，当没有达到这
种水平的时候，就会有一些列的惩罚措施，而运维，最主要的目标就是达成这种服务水平。

1年 = 365天 = 8760小时
90 = (1-90%)*365=36.5天
99 = 8760 * 1% = 87.6小时
99.9 = 8760 * 0.1% = 8760 * 0.001 = 8.76小时
99.99 = 8760 * 0.0001 = 0.876小时 = 0.876 * 60 = 52.6分钟
99.999 = 8760 * 0.00001 = 0.0876小时 = 0.0876 * 60 = 5.26分钟
99.9999= (1-99.9999%)*365*24*60*60=31秒

#停机时间又分为两种，一种是计划内停机时间，一种是计划外停机时间，而运维则主要关注计划外停机时间。


#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，均 等地对待每台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载。 

#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并且分配的请求越多，这样可以保证性能高的节点承担更 多请求。 

#最少连接（Least Connections）：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。如果所有的服务器节点性能相近，采用这种方式可以更好地均衡负载。 

#加权最少连接（Weighted Least Connections）：在服务器节点的性能差异较大的 情况下，调度器可以根据节点服务器负载自动调整权重，权重较高的节点将承担更 大比例的活动连接负载。 

#IP_Hash根据请求来源的IP地址进行Hash计算，得到后端服务器，这样来自同一个IP的请求总是会落到同一台服务器上处理，以致于可以将请求上下文信息存储在这个服务器上，

#url_hash 按访问url的hash结果来分配请求，使每个url定向到同一个后端服务器，后端服务器为缓存时比较有效。具体没研究过

#fair采用的不是内建负载均衡使用的轮换的均衡算法，而是可以根据页面大小、加载时间长短智能的进行负载均衡。也就是根据后端服务器时间来分配用户请求，响应时间短的优先分配

2. 分布式系统

分布式存储：Ceph，GlusterFS，FastDFS，MogileFS

分布式计算：hadoop，Spark

分布式常见应用

  • 分布式应用-服务按照功能拆分，使用微服务（单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值服务）

  • 分布式静态资源--静态资源放在不同的存储集群上

  • 分布式数据和存储--使用key-value缓存系统

  • 分布式计算--对特殊业务使用分布式计算，比如Hadoop集群

3. 集群和分布式

集群：同一个业务系统，部署在多台服务器上。集群中，每一台服务器实现的功能没有差别，数据和代码都是一样的。

分布式：一个业务被拆成多个子业务，或者本身就是不同的业务，部署在多台服务器上。分布式中，每一台服务器实现的功能是有差别的，数据和代码也是不一样的，分布式每台服务器功能加起来，才是完整的业务。

分布式是以缩短单个任务的执行时间来提升效率的，而集群则是通过提高单位时间内执行的任务数来提升效率。

对于大型网站，访问用户很多，实现一个群集，在前面部署一个负载均衡服务器，后面几台服务器完成
同一业务。如果有用户进行相应业务访问时，负载均衡器根据后端哪台服务器的负载情况，决定由给哪
一台去完成响应，并且一台服务器垮了，其它的服务器可以顶上来。分布式的每一个节点，都完成不同
的业务，如果一个节点垮了，那这个业务可能就会失败

4. 集群设计原则

可扩展性—集群的横向扩展能力

可用性—无故障时间 (SLA service level agreement)

性能—访问响应时间

容量—单位时间内的最大并发吞吐量(C10K 并发问题)

5. 集群设计实现

5.1 基础设施层面

  • 提升硬件资源性能—从入口防火墙到后端 web server 均使用更高性能的硬件资源

  • 多域名—DNS 轮询A记录解析

  • 多入口—将A记录解析到多个公网IP入口

  • 多机房—同城+异地容灾

  • CDN(Content Delivery Network)—基于GSLB(Global Server Load Balance)实现全局负载均衡，如：DNS

5.2 业务层面

  • 分层：安全层、负载层、静态层、动态层、(缓存层、存储层)持久化与非持久化

  • 分割：基于功能分割大业务为小服务

  • 分布式：对于特殊场景的业务，使用分布式计算

6. LB Cluster 负载均衡集群

6.1 按实现方式划分

  • 硬件：

F5 Big-IP（F5服务器负载均衡模块）

Citrix Netscaler

A10 A10

  • 软件：

lvs：Linux Virtual Server，阿里四层 SLB (Server Load Balance)使用

nginx：支持七层调度，阿里七层SLB使用 Tengine

haproxy：支持七层调度

ats：Apache Traffic Server，yahoo捐助给apache

perlbal：Perl 编写

pound

6.2 基于工作的协议层次划分

  • 传输层（通用）：DNAT 和 DPORT

LVS：

nginx：stream

haproxy：mode tcp

  • 应用层（专用）：针对特定协议，常称为 proxy server

http：nginx, httpd, haproxy(mode http), ...

fastcgi：nginx, httpd, ...

mysql：mysql-proxy, mycat...

6.3 负载均衡的会话保持

  • session sticky：同一用户调度固定服务器

Source IP：LVS sh算法（对某一特定服务而言）

Cookie

  • session replication：每台服务器拥有全部session（复制）

session multicast cluster

  • session server：专门的session服务器（server）

Memcached，Redis

7. HA 高可用集群实现

keepalived：vrrp协议

Ais：应用接口规范

heartbeat

cman+rgmanager(RHCS)

coresync_pacemaker

二、Linux Virtual Server简介

1. LVS介绍

LVS：Linux Virtual Server，负载调度器，内核集成，章文嵩（花名正明）, 阿里的四层

SLB(Server Load Balance)是基于LVS+keepalived实现

LVS 官网：http://www.linuxvirtualserver.org/
阿里SLB和LVS：
https://yq.aliyun.com/articles/1803
https://github.com/alibaba/LVS

2. LVS工作原理

VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS。LVS是内核级功能，工作在INPUT链的位置，将发往INPUT的流量进行“处理”

grep -i -C 10 ipvs /boot/config-3.10.0-693.el7.x86_64

3. LVS集群体系架构：

第一层：负载调度器 ：通过VIP接收用户的请求，再通过调度算法确定要转发的节点服务器

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：服务器池中的节点服务器   ： 通过RIP接收调度器转发来的请求，并处理请求进行响应

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 ：为各个节点服务器提供稳定、一致的文件存取服务，比如NAS+NFS，文件服务器+NFS，分布式对象存储等存储设备

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。）

4. LVS 功能及组织架构

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。

4.1 应用于高访问量的业务

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

4.2 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。

4.3 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

4.4 同城容灾（多可用区容灾）

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。

5. LVS集群类型中的术语

  • VS：Virtual Server，Director Server(DS), Dispatcher(调度器)，Load Balancer（lvs服务器）

  • RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx), backend server(haproxy)（真实服务器）

  • CIP：Client IP（客户机IP）

  • VIP：Virtual serve IP VS外网的IP

  • DIP：Director IP VS内网的IP

  • RIP：Real server IP （真实IP）

访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP

三、LVS工作模式和相关命令

1. 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

1.1 LVS的NAT模式

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

（1）RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP

（2）请求报文和响应报文都必须经由lvs服务器转发，lvs服务器易于成为系统瓶颈

（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT

（4）VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统

1.2 IP隧道

  1. RIP和DIP可以不处于同一物理网络中，RS的网关一般不能指向DIP,且RIP可以和公网通信。也就是

    说集群节点可以跨互联网实现。DIP, VIP, RIP可以是公网地址。

  2. RealServer的通道接口上需要配置VIP地址，以便接收DIP转发过来的数据包，以及作为响应的

    报文源IP。

  3. DIP转发给RealServer时需要借助隧道，隧道外层的IP头部的源IP是DIP，目标IP是RIP，而

    RealServer响应给客户端的IP头部是根据隧道内层的IP头分析得到的，源IP是VIP，目标IP是CIP

  4. 请求报文要经由Director，但响应不经由Director,响应由RealServer自己完成

  5. 不支持端口映射

  6. RS的OS须支持隧道功能

一般来说，隧道模式常会用来负载调度缓存服务器组，这些缓存服务器一般放置在不同的网络环境，可以就近
折返给客户端。在请求对象不在Cache服务器本地命中的情况下，Cache服务器要向源服务器发送请求，将结
果取回，最后将结果返回给用户。

1.3 直接路由

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

直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过请求报文重新封装一个MAC首部

进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变

DR模式的特点：

  1. Director和各RS都配置有VIP

  2. 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director

  • 在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址

  • 在RS上使用arptables工具

arptables -A IN -d $VIP -j DROP
arptables -A OUT -s $VIP -j mangle --mangle-ip-s $RIP

 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别

/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director

  1. RS和Director要在同一个物理网络

  2. 请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client

  3. 不支持端口映射（端口不能修改）

  4. 无需开启 ip_forward

  5. RS可使用大多数OS系统

1.4 LVS工作模式总结和比较

NAT TUN DR
优点 端口转换 WAN 性能最好
缺点 性能瓶颈 服务器支持隧道模式 不支持跨网段
真实服务器要求 any Tunneling Non-arp device
支持网络 private（私网） LAN/WAN（私网/公网） LAN（私网）
真实服务器数量 low (10~20) High (100) High (100)
真实服务器网关 lvs内网地址 Own router（网工定义） Own router（网工定义）

 2. LVS 调试算法

ipvs scheduler：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态

分为两种：静态方法和动态方法

仅根据算法本身进行调度

静态：

1、RR：roundrobin，轮询,较常用

2、WRR：Weighted RR，加权轮询,较常用

3、SH：Source Hashing，实现session sticky，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定

4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡,如: Web缓存

动态：

主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value 较小的RS将被调度

1、LC：least connections 适用于长连接应用

Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2、WLC：Weighted LC，默认调度方法,较常用

Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3、SED：Shortest Expection Delay，初始连接高权重优先,只检查活动连接,而不考虑非活动连接

Overhead=(activeconns+1)*256/weight

4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED

5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理,实现Web Cache等

6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS,,实现Web Cache等

四、ipvsadm 工具

1. ipvsadm 工具选项说明

1.1 常用选项

-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
一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

1.2 管理集群服务 

#管理集群服务
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [--pe persistence_engine] [-b sched-flags]
ipvsadm -D -t|u|f service-address #删除
ipvsadm –C #清空
ipvsadm –R #重载,相当于ipvsadm-restore
ipvsadm -S [-n] #保存,相当于ipvsadm-save
#管理集群中的RS
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]  
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]

选项：
lvs类型：
    -g: gateway, dr类型，默认
    -i: ipip, tun类型
    -m: masquerade, nat类型        
-w weight：权重

例子：
ipvsadm -A -t 12.0.0.1:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.1:80 -r 192.168.80.11:80 -m

1.3 ipvsadm 配置文件

yum install ipvsadm


Unit File: ipvsadm.service
主程序：/usr/sbin/ipvsadm
规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save
规则重载工具：/usr/sbin/ipvsadm-restore
配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config
ipvs调度规则文件：/etc/sysconfig/ipvsadm

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