集群集群

港控/mmm° 2022-12-24 05:49 123阅读 0赞

## 一、什么是集群 ##

集群（Cluster ）是将多个单独存在的服务器，通过集群技术将其集合，构成一个工作组、一台大型的服务器，以单一系统的模式加以管理。

简而言之，集群就是将多台机器组合成一台机器使用。

## 二、集群的分类和功用 ##

将多台机器组合成一台机器使用，很自然就可以想到，集群的作用：  
1）提高性能  
2）提高可用性  
3）提供更多的存储资源

按照功用，集群可分为以下几个类型：

**1、负载均衡（LB）集群**  
应对高并发。

硬件：F5 BIG-IP A10  
软件：LVS Nginx/Tengine Haproxy

**2、高可用（HA）集群**  
只有两个节点的高可用集群又称为双机热备，即使用两台服务器互相备份。当一台服务器出现故障时，可由另一台服务器承担服务任务，从而在不需要人工干预的情况下，自动保证系统能持续对外提供服务。双机热备只是高可用集群的一种，高可用集群系统更可以支持两个以上的节点，提供比双机热备更多、更高级的功能，更能满足用户不断出现的需求变化。

硬件：F5 BIG-IP A10  
软件：Keepalived RHCS heartbeat Pacemaker rose(windows) PowerHA(AIX)

**3、高性能计算（HPC）集群**  
主要解决大任务计算

**4、存储集群（Storage Cluster）**  
主要提供高性能、可靠（副本容错）、大容量（PB级别）的存储

## 三、集群技术和框架 ##

**1、LVS**  
Linux Virtual Server，Linux虚拟服务器。值得一提的是，这是由中国人章文嵩博士发起的一个开源项目，现在LVS已经是Linux内核标准的一部分。内核喔。

LVS主要用于多服务器的负载均衡；同时可把许多低性能的服务器组合在一起形成一个超级服务器，实现高性能，高可用的服务器集群。

1）LVS体系结构  
使用LVS架设的服务器集群系统有三个部分组成：最前端的负载均衡层（Loader Balancer），中间的服务器群组层，用Server Array表示，最底层的数据共享存储层，用Shared Storage表示。在用户看来所有的应用都是透明的，用户只是在使用一个虚拟服务器提供的高性能服务。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
Director Server是整个LVS的核心。

2）LVS工作原理

负载均衡技术有很多实现方案，有基于DNS域名轮流解析的方法、有基于客户端调度访问的方法、有基于应用层系统负载的调度方法，还有基于IP地址的调度方法，在这些负载调度算法中，执行效率最高的是IP负载均衡技术。

LVS 的IP负载均衡技术是通过IPVS模块来实现的，IPVS是LVS集群系统的核心软件，它的主要作用是：安装在Director Server上，同时在Director Server上虚拟出一个IP地址，用户必须通过这个虚拟的IP地址访问服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP，即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达负载调度器，然后由负载调度器从Real Server列表中选取一个服务节点响应用户的请求。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

（1）当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间

（2） PREROUTING（预路由？）链首先会接收到用户请求，确认目标IP是本机，然后将数据包发往INPUT链

（3） 当用户请求到达INPUT时，IPVS（IP虚拟服务器）和定义好的集群服务进行比对，如果命中，IPVS强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING（提交路由？）链

（4） POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器

这里面的机制可以分为三种，分别是NAT、TUN和DR，详述如下：

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）  
在NAT方式下，由调度器接收用户请求，最后又由调度器将结果返回给用户，用户请求和响应报文都必须经过Director Server地址重写（当用户请求到达调度器时，调度器将请求报文的目标地址改写成选定的Real Server地址和端口，等结果返回时，再改回原来请求的地址和端口），当用户请求越来越多时，调度器的处理能力将成为瓶颈。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

TUN （IP Tunneling，IP隧道）  
它的连接调度和管理与NAT方式一样，只是报文转发方法不同。TUN方式中，调度器采用IP隧道技术将用户请求转发到某个Real Server，之后Real Server将直接响应用户的请求，不再经过前端调度器中转。因此，在TUN方式中调度器将只处理用户的报文请求，集群系统的吞吐量大大提高。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

DR（Direct Routing，直接路由）  
连接调度和管理同上，但它的报文转发方法又有不同，DR通过改写请求报文的MAC地址（IP仍为负载均衡服务器地址，因此这种方式也叫数据链路层负载均衡），将请求发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给客户，免去了TUN中的IP隧道开销。这种方式是三种负载调度机制中性能最好的，但是必须要求Director Server与Real Server都有一块网卡连在同一物理网段上。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

**2、Nginx**  
高性能的HTTP和反向代理web服务器，同时也提供IMAP/POP3/SMTP服务。

所谓反向代理，外部可以通过Nginx访问内部的服务器。一来，如果Nginx有缓存的话，可以直接返回，提高效率，减少服务器压力；二来Nginx可以控制请求的转发，起到负载均衡的作用。

有负载均衡架构，将LVS + Nginx合用。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
如上所述，LVS、Nginx都有负载均衡的作用。而且它们都能独当一面，二者合在一起是啥意思，强强联合，1+1>2吗？

因为，

nginx是基于第七层协议开发的，采用异步转发的原则，即在保持客户端链接的同时新起一个链接到负载均衡的服务端，等待服务端返回数据再返回给客户端。这么做有一个好处，nginx可以失败转移（failover），即如果和某个服务端的链接不通畅，可以换一个链接，可以服务的稳定性。

lvs是基于第四层协议开发的，采用同步转发的原则，即lvs监听到端口有链接时，会直接redirect到服务端，让服务端直接与客户端进行链接。这样做有一个弊端，就是一锤子买卖，如果请求失败了不会再做失败转移。

因此，Nginx连接有保障但压力都落在它身上，存在带宽瓶颈；LVS实际上不直接建立连接，性能高但有失败的风险。这跟TCP 和 UDP非常想像。二者结合，取长补短，相得益彰。

**3、Keepalived**  
看名字就能猜出来，Keepalived与可用性有关。

Keepalived的作用是检测服务器的状态，如果有一台web服务器宕机，或工作出现故障，Keepalived将检测到，并将有故障的服务器从系统中剔除，同时使用其他服务器代替该服务器的工作，当服务器工作正常后Keepalived自动将服务器加入到服务器群中，这些工作全部自动完成，不需要人工干涉，需要人工做的只是修复故障的服务器。

Keepalived 可以配合Nginx一起工作，打造高可用的负载均衡架构：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
4、Heartbeat  
大约与Keepalived类似。

## 四、集群与分布式 ##

我的理解，简单来说，集群是相同的内容分布于不同的机器；分布式是不同的内容分散于不同的机器。分布式的每个节点除了可以是一台机,其实也可以是集群，所以分布式在格局上比集群要大。

集群主要提供高并发（负载均衡），高可用，高性能，高容量等技术和服务。  
而分布式也一样，解决的是高并发，高可用，高性能，良好扩展等问题。

但从规模和效果上看，分布式要大于集群。集群本质上，还是一个单机的概念；而分布式，是协同思想。这是我个人胡说的。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xlZnRmaXN0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

参考文章：  
[集群技术概述（入门级）][Link 1]  
[手把手让你了解linux上集群原理篇【图解】][linux]  
[LVS基本介绍][LVS]  
[为什么采用nginx+lvs的架构][nginx_lvs]

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/gx_1_11_real/article/details/78996251
[linux]: https://blog.51cto.com/freeze/388957
[LVS]: https://os.51cto.com/art/201202/317108.htm
[nginx_lvs]: https://my.oschina.net/u/3159571/blog/3073727