负载均衡集群、LVS算法、搭建NAT模式LVS架构

痛定思痛。 2022-05-21 10:09 264阅读 0赞

## 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。

## 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 ###

![70][]

*  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 ###

![70 1][]

*  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 ###

![70 2][]

*  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。

## 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。**

##     ##

## 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！

扩展  
lvs 三种模式详解 http://www.it165.net/admin/html/201401/2248.html   
lvs几种算法 http://www.aminglinux.com/bbs/thread-7407-1-1.html  
关于arp\_ignore和 arp\_announce http://www.cnblogs.com/lgfeng/archive/2012/10/16/2726308.html  
lvs原理相关的

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[70 1]: /images/20220521/4bfce414278d431dad45354a21c4d981.png
[70 2]: /images/20220521/457ea54cedc4467199a7ed51eb14ed35.png