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负载均衡集群、LVS算法、搭建NAT模式LVS架构

18.6 负载均衡集群介绍

实现负载均衡集群的软件有:LVS、Keepalived、Nginx、haproxy等。其中LVS属于四层(网络OSI模型);Nginx属于七层;haproxy既可以认为是四层,也可以当做是七层使用。 LVS、haproxy这种四层负载均衡可以分发除80端口以外的通信,如MySQL-3306;而Nginx仅仅支持http,https,mail。 相对来说,LVS这种四层的更加稳定,能承受更多的请求,而Nginx这种七层的更加灵活,能实现更多的个性化需求。

18.7 LVS介绍

LVS是基于tcp/ip做的路由和转发,稳定性和效率很高,LVS最新版本是基于Linux内核2.6。LVS常见的模式有三种:NAT、DR、IP Tunnel。LVS架构中有一个核心角色叫分发器(Load Balance),用于分发客户的各种请求,另外还有诸多服务器(real server,简称rs),用于处理用户各种请求。

NAT模式

  • 这种模式借助iptables的nat表来实现
  • 用户的请求到分发器后,通过预设的iptables规则,把请求的数据包转发到后端的rs上去
  • rs需要设定网关为分发器的内网ip
  • 用户请求的数据包和返回给用户的数据包全部经过分发器,所以分发器成为瓶颈
  • 在nat模式中,只需要分发器有公网ip即可,所以比较节省公网ip资源

在该模式中,load balancer是限制该架构处理用户请求的一个瓶颈,所以该模式比较适合小模式的集群(服务器rs在10台以内);该模式的优势是节省公网资源。

IP Tunnel模式

  • 这种模式,需要有一个公共的IP配置在分发器和所有rs上,我们把它叫做vip
  • 客户端请求的目标IP为vip,分发器接收到请求数据包后,会对数据包做一个加工,会把目标IP改为rs的IP,这样数据包就到了rs上
  • rs接收数据包后,会还原原始数据包,这样目标IP为vip,因为所有rs上配置了这个vip,所以它会认为是它自己

DR模式

  • 这种模式,也需要有一个公共的IP配置在分发器和所有rs上,也就是vip
  • 和IP Tunnel不同的是,它会把数据包的MAC地址修改为rs的MAC地址
  • rs接收数据包后,会还原原始数据包,这样目标IP为vip,因为所有rs上配置了这个vip,所以它会认为是它自己

MAC(Media Access Control或者Medium Access Control)地址,意译为媒体访问控制,或称为物理地址、硬件地址,用来定义网络设备的位置。在OSI模型中,第三层网络层负责 IP地址,第二层数据链路层则负责 MAC地址。因此一个主机会有一个MAC地址,而每个网络位置会有一个专属于它的IP地址。MAC地址是网卡决定的,是固定的。

ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议,是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。 OSI模型把网络工作分为七层,IP地址在OSI模型的第三层,MAC地址在第二层,彼此不直接打交道。在通过以太网发送IP数据包时,需要先封装第三层(32位IP地址)、第二层(48位MAC地址)的报头,但由于发送时只知道目标IP地址,不知道其MAC地址,又不能跨第二、三层,所以需要使用地址解析协议。使用地址解析协议,可根据网络层IP数据包包头中的IP地址信息解析出目标硬件地址(MAC地址)信息,以保证通信的顺利进行。

18.8 LVS的调度算法

  • 轮询 Round-Robin rr
  • 加权轮询 Weight Round-Robin wrr
  • 最小连接 Least-Connection lc
  • 加权最小连接 Weight Least-Connection wlc
  • 基于局部性的最小连接 Locality-Based Least Connections lblc
  • 带复制的基于局部性最小连接 Locality-Based Least Connections with Replication lblcr
  • 目标地址散列调度 Destination Hashing dh
  • 源地址散列调度 Source Hashing sh

常用的是前面四种算法。

18.9-18.20 LVS NAT模式搭建

准备工作

网络准备

三台机器。

  • 分发器(调度器director) 内网:192.168.8.133 外网:192.168.75.128
  • real server1(real1) 内网:192.168.8.134 设置网关为: 192.168.8.133
  • real server2(real2) 内网:192.168.8.135 设置网关为: 192.168.8.133

防火墙

关闭系统防火墙:
[root@real1 ~]# systemctl stop firewalld
[root@real1 ~]# systemctl disable firewalld

关闭SELinux:
[root@director ~]# setenforce 0
[root@director ~]# vim /etc/selinux/config
SELINUX=disabled

注: 分别在三台机器进行上述操作。

以下操作在real1和real2中进行:

安装iptables服务:
[root@real1 ~]#yum install -y iptables-services 

设置iptables服务:
[root@real1 ~]# iptables -F
[root@real1 ~]# service iptables save
iptables: Saving firewall rules to /etc/sysconfig/iptables:[  确定  ]

说明: 进行该设置的原因是NAT模式是基于防火墙nat表的一种模式,所以会使用iptables规则。

开始搭建

配置director:

安装ipvsadm工具:  
[root@director ~]# yum install -y ipvsadm  

配置ipvsadm脚本:
[root@director ~]# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh
#! /bin/bash
# director 服务器上开启路由转发功能
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
# 关闭icmp的重定向
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects
# 注意区分网卡名字,adai的两个网卡分别为ens33和ens37
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens33/send_redirects
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens37/send_redirects
# director 设置nat防火墙
iptables -t nat -F
iptables -t nat -X
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.8.0/24  -j MASQUERADE
# director设置ipvsadm规则
IPVSADM='/usr/sbin/ipvsadm'
$IPVSADM -C
#-C=clear,清除规则
$IPVSADM -A -t 192.168.75.128:80 -s rr 
#-A:=add,添加规则;-t:=tcp;-s 指定算法;
#在此可以添加-p:指定超时时间(解决session问题:保证同一请求被分发到同一rs上)
#因为添加-p选项后会影响测试效果,所以在此不加该参数(注:时间不能设置为0)
$IPVSADM -a -t 192.168.75.128:80 -r 192.168.8.134:80 -m -w 1
$IPVSADM -a -t 192.168.75.128:80 -r 192.168.8.135:80 -m -w 1
#-a:=add,增加nat架构中的rs;-r:指定rs的IP;-m:指定LVS模式为NAT(masquerade)
#-w:=weight,指定权重

执行该脚本:  
[root@director ~]# sh /usr/local/sbin/lvs_nat.sh
#注:执行该脚本时无错误输出说明没问题。

查看ipvsadm规则:
[root@director ~]# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.75.128:80 rr
  -> 192.168.8.134:80             Masq    1      1          3         
  -> 192.168.8.135:80             Masq    1      0          4      

配置rs:

在两台rs上安装Nginx,并分别设置其主页用来区分两台机器。

[root@real1 ~]# yum install -y nginx
[root@real1 ~]# systemctl start nginx

编辑rs1主页:
[root@real1 ~]# vim /usr/share/nginx/html/index.html
This is real server 1. 

编辑rs2主页:
[root@real2 ~]# vim /usr/share/nginx/html/index.html
This is real server 2.

测试

访问公网IP:192.168.75.128。

[root@director ~]# curl 192.168.75.128
This is real server 2. 
[root@director ~]# curl 192.168.75.128
This is real server 1.
[root@director ~]# curl 192.168.75.128
This is real server 2. 
[root@director ~]# curl 192.168.75.128
This is real server 1.
[root@director ~]# curl 192.168.75.128

即,搭建成功!

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