LVS

1.Cluster(集群)概念

(1)系统扩展方式：

Scale UP：向上扩展,增强
Scale Out：向外扩展,增加设备，调度分配问题，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

(2)Linux Cluster类型：

 LB：Load Balancing，负载均衡
 HA：High Availiablity，高可用，SPOF（single Point Of failure）
MTBF:Mean Time Between Failure 平均无故障时间
MTTR:Mean Time To Restoration（ repair）平均恢复前时间
A=MTBF/（MTBF+MTTR）
(0,1)：99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, 99.9999%
 HPC：High-performance computing，高性能 www.top500.org

(3)分布式系统：

分布式存储：云盘
分布式计算：hadoop，Spark

2.Cluster分类

(1) LB Cluster的实现

 硬件
F5 Big-IP
Citrix Netscaler
A10 A10
** 软件
lvs：Linux Virtual Server
nginx：支持四层调度
haproxy：支持四层调度
ats：apache traffic server，yahoo捐助
perlbal：Perl 编写
pound

(2)基于工作的协议层次划分：

 传输层（通用）：DPORT
LVS：(Linux virtual server)
nginx：stream
haproxy：mode tcp
 应用层（专用）：针对特定协议，自定义的请求模型分类
proxy server：
http：nginx, httpd, haproxy(mode http), ...
fastcgi：nginx, httpd, ...
mysql：mysql-proxy, ...

3.Cluster相关

(1)会话保持：负载均衡

(1) 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
(2) session replication：每台服务器拥有全部session
session multicast cluster
(3) session server：专门的session服务器
Memcached，Redis

(2)HA集群实现方案

keepalived:vrrp协议
ais:应用接口规范
heartbeat
cman+rgmanager(RHCS)
coresync_pacemaker

4.LVS介绍

(1)LVS：Linux Virtual Server，负载调度器，集成内核 章文嵩 阿里

官网：http://www.linuxvirtualserver.org/
VS: Virtual Server，负责调度
RS: Real Server，负责真正提供服务
L4：四层路由器或交换机

(2)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

(3)iptables/netfilter：

iptables：用户空间的管理工具
netfilter：内核空间上的框架
流入：PREROUTING --> INPUT
流出：OUTPUT --> POSTROUTING
转发：PREROUTING --> FORWARD --> POSTROUTING
DNAT：目标地址转换； PREROUTING

(4)LVS集群体系结构

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5.LVS概念

 lvs集群类型中的术语：
 VS：Virtual Server, Director, Dispatcher(调度器)
Load Balancer
 RS：Real Server(lvs), upstream server(nginx)
backend server(haproxy)
 CIP：Client IP
 VIP: Virtual serve IP VS外网的IP
 DIP: Director IP VS内网的IP
 RIP: Real server IP
 访问流程：CIP <--> VIP == DIP <--> RIP

6.lvs集群的类型

(1)lvs: ipvsadm/ipvs

ipvsadm：用户空间的命令行工具，规则管理器
用于管理集群服务及RealServer
ipvs：工作于内核空间netfilter的INPUT钩子上的框架

(2)lvs集群的类型：

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
lvs-tun：在原请求IP报文之外新加一个IP首部
lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP

7.lvs-nat模式

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挑出的RS的RIP和PORT实现转发
（1）RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP
（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director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

VS/NAT的体系结构

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NAT模式IP包调度过程

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NAT模式

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8.LVS-DR模式

 LVS-DR：Direct Routing，直接路由，LVS默认模式,应用最广泛
,通过为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
 Director和各RS都配置有VIP

(1) 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
arp_announce
arp_ignore

(2) 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网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director

(3) RS和Director要在同一个物理网络

(4) 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

(5) 不支持端口映射（端口不能修败）

(6) RS可使用大多数OS系统

VS/DR体系结构

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DR模式IP包调度过程

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DR模式

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9.lvs-tun模式

 lvs-tun：
转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为
VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目
标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客
户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）
(1) DIP, VIP, RIP都应该是公网地址
(2) RS的网关不能，也不可能指向DIP
(3) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director
(4) 不支持端口映射
(5) RS的OS须支持隧道功能

VS/TUN体系结构

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TUN模式IP包调度过程

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10.lvs-fullnat模式

 lvs-fullnat：通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地
址进行转发
CIP --> DIP
VIP --> RIP
(1) VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP
(2) RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其往Client
(3) 请求和响应报文都经由Director
(4) 支持端口映射；
注意：此类型kernel默认不支持

11.LVS工作模式总结

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 lvs-nat与lvs-fullnat：请求和响应报文都经由Director
lvs-nat：RIP的网关要指向DIP
lvs-fullnat：RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信
 lvs-dr与lvs-tun：请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
lvs-tun：通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信

12.ipvs scheduler

 ipvs scheduler：
 根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态
两种：静态方法和动态方法

(1)静态方法：仅根据算法本身进行调度

1、RR：roundrobin，轮询
2、WRR：Weighted RR，加权轮询
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，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：宽带运营商

(2)动态方法：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=activeconns256+inactiveconns
2、WLC：Weighted LC，默认调度方法
Overhead=(activeconns256+inactiveconns)/weight
3、SED：Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先
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
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

13.ipvs

 ipvsadm/ipvs：
 ipvs：
grep -i -C 10 "ipvs" /boot/config-VERSIONRELEASE.x86_64
支持的协议：TCP， UDP， AH， ESP， AH_ESP, SCTP
 ipvs集群：
管理集群服务
管理服务上的RS

14.ipvsadm包构成

 ipvsadm：
 程序包：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

15.ipvsadm命令

(1)核心功能：

集群服务管理：增、删、改
集群服务的RS管理：增、删、改
查看

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
ipvsadm -S [-n] 保存
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [options]
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]

(2)管理集群服务：增、改、删

 增、改：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
 删除：
ipvsadm -D -t|u|f service-address
 service-address：
-t|u|f：
-t: TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT
-u: TCP协议的端口，VIP:UDP_PORT
-f：firewall MARK，标记，一个数字
 [-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc

(3)管理集群上的RS：增、改、删

 增、改：ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]
 删：ipvsadm -d -t|u|f service-address -r serveraddress
 server-address：
rip[:port] 如省略port，不作端口映射
 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
 清空定义的所有内容：ipvsadm –C
 清空计数器：ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
 查看：ipvsadm -L|l [options]
--numeric, -n：以数字形式输出地址和端口号
--exact：扩展信息，精确值
--connection，-c：当前IPVS连接输出
--stats：统计信息
--rate ：输出速率信息
 ipvs规则： /proc/net/ip_vs
 ipvs连接：/proc/net/ip_vs_conn

(4)保存及重载规则

 保存：建议保存至/etc/sysconfig/ipvsadm
ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
ipvsadm -S > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
systemctl stop ipvsadm.service
 重载：
ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
systemctl restart ipvsadm.service

16.LVS:负载均衡集群设计时要注意的问题

(1) 是否需要会话保持
(2) 是否需要共享存储
共享存储：NAS， SAN， DS（分布式存储）
数据同步：
lvs-nat：
设计要点：
(1) RIP与DIP在同一IP网络, RIP的网关要指向DIP
(2) 支持端口映射
(3) Director要打开核心转发功能

17.LVS-DR

 dr模型中，各主机上均需要配置VIP，解决地址冲突的方式有三种：
(1) 在前端网关做静态绑定
(2) 在各RS使用arptables
(3) 在各RS修改内核参数，来限制arp响应和通告的级别
 限制响应级别：arp_ignore
0：默认值，表示可使用本地任意接口上配置的任意地址进行响应
1: 仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文的接口上时，才给予响应
 限制通告级别：arp_announce
0：默认值，把本机所有接口的所有信息向每个接口的网络进行通告
1：尽量避免将接口信息向非直接连接网络进行通告
2：必须避免将接口信息向非本网络进行通告

RS的预配置脚本

#!/bin/bash
vip=192.168.0.100
mask='255.255.255.255‘
dev=lo:1
case $1 in
start)
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
ifconfig $dev $vip netmask $mask broadcast $vip up
route add
-host $vip dev $dev
;;
stop)
ifconfig $dev down
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
;;
*)
echo "Usage: $(basename $0) start|stop"
exit 1
;;
esac

VS的配置脚本

#!/bin/bash
vip='192.168.0.100'
iface='eth0:1'
mask='255.255.255.255'
port='80'
rs1='192.168.0.101'
rs2='192.168.0.102'
scheduler='wrr'
type='-g'
case $1 in
start)
        ifconfig $iface $vip netmask $mask broadcast $vip up
        iptables -F
        ipvsadm -A -t ${vip}:${port} -s $scheduler
        ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs1} $type -w 1
        ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs2} $type -w 1
           ;;
stop)
        ipvsadm - C
        ifconfig $iface down
          ;;
*)
         echo "Usage $(basename $0) start|stop“;exit 1
          ;;
esac

18.FireWall Mark

 FWM：FireWall Mark
 MARK target 可用于给特定的报文打标记
--set-mark value
其中：value 为十六进制数字
 借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务;可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度
 实现方法：

(1)在Director主机打标记：

iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $proto –m multiport --dports $port1,$port2,… -j MARK --set-mark NUMBER

(2)在Director主机基于标记定义集群服务：

ipvsadm -A -f NUMBER [options]

19.持久连接

 session 绑定：对共享同一组RS的多个集群服务，需要统一进行绑定，lvs sh算法无法实现
 持久连接（ lvs persistence ）模板：实现无论使用任何调度算法，在一段时间内（默认360s ），能够实现将来自同一个地址的请求始终发往同一个RS
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]

持久连接实现方式：

 每端口持久（PPC）：每个端口对应定义为一个集群服务，每集群服务单独调度
 每防火墙标记持久（PFWMC）：基于防火墙标记定义集群服务；可实现将多个端口上应用统一调度，即所谓的port Affinity
 每客户端持久（PCC）：基于0端口（表示所有服务）定义集群服务，即将客户端对所有应用的请求都调度至后端主机，必须定义为持久模式

20.LVS高可用性

 1 Director不可用，整个系统将不可用；SPoF Single Point of Failure

解决方案：高可用
keepalived heartbeat/corosync

 2 某RS不可用时，Director依然会调度请求至此RS

解决方案： 由Director对各RS健康状态进行检查，失败时禁用，成功时启用
keepalived heartbeat/corosync, ldirectord
检测方式：
(a) 网络层检测，icmp
(b) 传输层检测，端口探测
(c) 应用层检测，请求某关键资源
RS全不用时：back server, sorry server

21.ldirectord

 ldirectord：监控和控制LVS守护进程，可管理LVS规则
 包名：ldirectord-3.9.6-0rc1.1.1.x86_64.rpm
 文件：
/etc/ha.d/ldirectord.cf 主配置文件
/usr/share/doc/ldirectord-3.9.6/ldirectord.cf 配置模版
/usr/lib/systemd/system/ldirectord.service 服务
/usr/sbin/ldirectord 主程序
/var/log/ldirectord.log 日志
/var/run/ldirectord.ldirectord.pid pid文件

Ldirectord配置文件示例

checktimeout=3
checkinterval=1
autoreload=yes
logfile=“/var/log/ldirectord.log“ #日志文件
quiescent=no #down时yes权重为0，no为删除
virtual=5 #指定VS的FWM或IP：port
real=172.16.0.7:80 gate 2
real=172.16.0.8:80 gate 1
fallback=127.0.0.1:80 gate #sorry server
service=http
scheduler=wrr
checktype=negotiate
checkport=80
request="index.html"
receive=“Test Ldirectord"