一、集群概述

• 集群又名群集也叫Cluster
• 由多台主机构成，但对外，只表现为一个整体，只提供一个访问入口（域名或IP），相当于一台大型计算机。

1.集群的作用

• 互联网应用中，随着站点对硬件性能、响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求越来越高，单台服务器无法满足负载均衡及高可用的需求。

2.一些解决方法

问题：互联网应用中，随着站点对硬件性能、响应速度、服务稳定性、数据可靠性等要求越来越高，单台服务器已经无法满足负载均衡及高可用的要求

解决办法

• 升级硬件资源，使用价格昂贵的小型机、大型机（又叫纵向扩展）
• 使用多台相对廉价的普通服务器构建服务集群（又叫横向扩展）

3.集群的类型

• 负载均衡群集
• 高可用群集
• 高性能群集

负载均衡群集(Load Balance Cluster)

• 提高应用系统的响应能力、尽可能处理更多的访问请求、减少延迟为目标，获得高并发、高负载(LB)的整体性能。
• LB的负载分配依赖于主节点的分流算法，将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点，从而缓解整个系统的负载。

高可用群集 (High Availability Cluster)

• 提高应用系统的可靠性、尽可能地减少中断时间为目标，确保服务的连续性，达到高可用(HA) 的容错效果。
• HA的工作方式包括双工和主从两种模式，双工即所有节点同时在线；主从则只有主节点在线，但当出现故障时从节点能自动切换为主节点。
  例如：“故障切换”、“双机热备” 等。

高性能运算群集(High Performance Computer Cluster)

• 以提高应用系统的CPU运算速度、扩展硬件资源和分析能力为目标，获得相当于大型、超级计算机的高性能运算(HPC)能力。
• 高性能依赖于"分布式运算”、“并行计算” ， 通过专用硬件和软件将多个服务器的CPU、内存等资源整合在一起，实现只有大型、超级计算机才具备的计算能力。例如，“云计算”、“网格计算”等。

二、负载均衡集群构架

第一层，负载调度器(Load Balancer或Director)

• 对外，由调度器服务器提供一个VIP作为统一入口，对内，按照分流算法分发流量/请求给服务器池

第二层，服务器池(Server Pool)

• 服务器接收、响应、处理负载调度器的任务

第三层，共享存储(Share Storage)

• 共享存储为服务器提供存储空间

三、负载均衡群集工作模式分析

• 负载均衡群集是目前企业用得最多的群集类型
• 群集的负载调度技术有3种工作模式
  • 地址转换（NAT模式）
  • IP隧道 （TUN模式）
  • 直接路由（DR模式）

1、NAT模式

地址转换

• Network Address Translation，简称NAT模式
• 类似于防火墙的私有网络结构，负载调度器作为所有服务器节点的网关，即作为客户机的访问入口，也是各节点回应客户机的访问出口
• 服务器节点使用私有IP地址，与负载调度器位于同一个物理网络，安全性要优于其他两种方式

2、TUN模式

IP隧道

• IP Tunnel,简称TUN模式
• 采用开放式的网络结构，负载调度器仅作为客户机的访问入口，各节点通过各自的Internet连接直接回应客户机，而不再经过负载调度器
• 服务器节点分散在互联网中的不同位置,具有独立的公网IP地址，通过专用IP隧道与负载调度器相互通信

3、DR模式

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

4、三种工作模式的区别

工作模式	NAT模式	TUN模式	DR模式
server number（节点数量）	low 10-20	high 100	hign 100
真实网关	负载调度器	自由路由器	自由路由器
IP地址	公网+私网	公网	私网
优点	安全性高	安全、速度快	性能最好
缺点	效率低、压力大	需要安全隧道、贵	不能跨越LAN（局域网）

四、LVS-NAT的部署

1、Linux Virtual Server

• 针对Linux内核开发的负载均衡解决方案
• 1998年5月，由我国的章文嵩博士创建
• 官方网站: http://www.linuxvirtualserver.orgl
• LVS 实际上相当于基于IP地址的虚拟化应用， 为基于IP地址和内容请求分发的负载均衡提出了一种高效的解决方法

2、LVS现在已成为Linux内核的一部分

• 默认编译为ip_ vs模块，必要时能够自动调用。在CentOS 7系统中，以下操作可以手动加载ip_ vs模块，并查看当前系统中ip_ vs模块的版本信息。

modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs    #确认内核对LVS的支持

五、 LVS的负载调度算法

1 、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（真实服务器），均等地对待每一台服务器，而不管服务器实际的连接数和系统负载。

2 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，分配的请求数越多。

• 保证性能强的服务器承担更多的访问流量。

3、 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。

4、 加权最少连接（Weighted Least Connections）

• 在服务器节点的性能差异较大时，可以为真实服务器自动调整权重。

• 性能较高的节点将承担更大比例的活动连接负载。

六、使用 ipvsadm 工具

ipvsadm工具选项说明

选项	含义
-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	表示添加真实服务器（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	示使用TUN模式
-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

七、LVS-NAT 部署实战

• LVS调度器作为Web 服务器池的网关，LVS具有两块网卡，分别连接内外网，使用轮询（rr）调度算法

配置环境

主机	IP地址	安装包/工具/软件
负载均衡器	内网：192.168.24.72外网：12.0.0.30	ipvsadm
NFS服务器	192.168.24.75	rpcbind、nfs-utils
Web节点服务器1	192.168.24.73	rpcbind、nfs-utils、httpd
Web节点服务器2	192.168.24.74	rpcbind、nfs-utils、httpd
客户端	12.0.0.120	---------------

1、部署共享存储（NFS服务器：192.168.24.75）

systemctl stop firewalld.service     #关闭防火墙
setenforce 0                         #关闭防护中心

yum -y install nfs-utils rpcbind   #下载nfs服务 和 rpcbind服务（用来传输nfs服务）

systemctl start rpcbind.service    #开启rpcbind服务
systemctl start nfs.service        #开启nfs服务

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir -p /csgo/host13  #创建要传输的第一个目录中的文件
mkdir -p /csgo/host14  #创建要传输的第二个目录中的文件

echo '<h1>gogogogo</h1>'> host13/index.html  #在目录中添加gogogogo内容到index.html文件中
echo '<h1>nononono</h1>'> host14/index.html


vim /etc/exports
/csgo/host13 192.168.24.0/24(ro)   
/csgo/host14 192.168.24.0/24(ro) 
                                 
systemctl enable --now rpcbind nfs                                
            
showmount -e  #查看共享的文件网段的目录的文件
Export list for localhost.localdomain:
/csgo/host14 192.168.24.0/24
/csgo/host13 192.168.24.0/24   #表示成功

2、配置节点服务器（192.168.24.73、192.168.24.74）

两台服务器都如同下面配置：
-----------------------------------------------------------------
systemctl stop firewalld.service
setenforce 0

vim /etc/yum.repo.d/nginx.repo
[nginx-stable]
name=nginx stable repo
baseurl=http://nginx.org/packages/centos/7/$basearch/
gpgcheck=0
enabled=1


yum -y install nginx

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens32 
GATEWAY=192.168.24.72 #将网关改为内网网卡地址

systemctl restart network


showmount -e 192.168.24.75 #查看NFS共享的目录文件

Export list for 192.168.24.75:
/csgo/host14 192.168.24.0/24
/csgo/host13 192.168.24.0/24

Web节点服务器1（192.168.24.73）

mount 192.168.24.75:/csgo/host13 /usr/share/nginx/html/

Web节点服务器2（192.168.24.74）

mount 192.168.24.75:/csgo/host14/usr/share/nginx/html/

3、配置负载调度器（内网关 ens32：192.168.24.72，外网关 ens33：12.0.0.30）

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service
setenforce 0



vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens32

TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens32
UUID=010ecbf6-2d9b-4fc0-8a48-53415d022983
DEVICE=ens32
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.24.72
NETMASK=255.255.255.0



vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33

TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens33
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
IPADDR=12.0.0.30
NETMASK=255.255.255.0


systemctl restart network

（1）配置SNAT转发规则

vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.ip_forward = 1
或
echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

sysctl -p

iptables -t nat -F
iptables -F
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.24.0/24 -o ens33 -j SNAT --to-source 12.0.0.30
#外网客户端要访问集群中的NFS共享的节点池文件
#通过外网网卡进入LVS负载调度器来访问；LVS会根据客户端的需求找到对应的文件
#找到对应的文件之后，要经过SNAT地址转发 将原本的私网IP转换成公网IP才能返换给公网客户端

（2）加载LVS内核模块

modprobe ip_vs					#加载 ip_vs模块
cat /proc/net/ip_vs				#查看 ip_vs版本信息

（3）安装ipvsadm 管理工具

yum -y install ipvsadm

启动服务前须保存负载分配策略

systemctl start ipvsadm.service
会报错
Job for ipvsadm.service failed because the control process exited with error code. See "systemctl status ipvsadm.service" and "journalctl -xe" for details.

journalctl -xe
报错原因：/bin/bash: /etc/sysconfig/ipvsadm: 没有那个文件或目录

touch /etc/sysconfig/ipvsadm #创建一个ipvsadm目录
ls /etc/sysconfig/  #查看sysconfig下的ipvsadm目录是否创建成功


然后再启动服务
systemctl start ipvsadm.service

（4）配置负载分配策略（NAT模式只要在服务器上配置，节点服务器不需要特殊配置）

ipvsadm -C 					#清除原有策略
ipvsadm -A -t 12.0.0.30:80 -s rr
ipvsadm -a -t 12.0.0.30:80 -r 192.168.24.73:80 -m
ipvsadm -a -t 12.0.0.30:80 -r 192.168.24.74:80 -m
ipvsadm						#启用策略
		

ipvsadm -ln    #查看节点状态，Masq代表 NAT模式 
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  12.0.0.30:80 rr
  -> 192.168.24.73:80             Masq    1      0          0         
  -> 192.168.24.74:80             Masq    1      0          0     

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm						#保存策略

4、测试效果

• 在一台IP为12.0.0.120的客户机使用浏览器访问 http://12.0.0.30/ ，不断刷新浏览器测试负载均衡效果，刷新间隔需长点。

八、LVS-DR部署实战

主机	IP
Web服务器1	192.168.24.73
Web服务器2	192.168.24.74
DR服务器	192.168.24.72
VIP	192.168.24.188
客户机	192.168.24.200

1、配置负载调度器（192.168.24.72）

systemctl stop firewalld.service
setenforce 0
modprobe ip_vs
cat /proc/net/ip_vs
yum -y install ipvsadm

（1）配置虚拟 IP 地址（VIP：192.168.80.188）

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens32 ifcfg-ens33:0		#若隧道模式，复制为ifcfg-tunl0
vim ifcfg-ens32:0
DEVICE=ens32:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.24.188
NETMASK=255.255.255.255

ifup ens32:0
ifconfig ens32:0

（2）调整 proc 响应参数

#由于 LVS 负载调度器和各节点需要共用 VIP 地址，需要关闭 icmp 的重定向，不充当路由器。
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 0
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0

sysctl -p

（3）配置负载分配策略

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm

ipvsadm -C
ipvsadm -A -t 192.168.24.188:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.24.188:80 -r 192.168.24.73:80 -g			#若隧道模式，-g替换为-i
ipvsadm -a -t 192.168.24.188:80 -r 192.168.24.74:80 -g
ipvsadm

ipvsadm -ln					#查看节点状态，Route代表 DR模式

2.部署共享存储（NFS服务器：192.168.24.75）

systemctl stop firewalld.service     #关闭防火墙
setenforce 0                         #关闭防护中心

yum -y install nfs-utils rpcbind   #下载nfs服务 和 rpcbind服务（用来传输nfs服务）

systemctl start rpcbind.service    #开启rpcbind服务
systemctl start nfs.service        #开启nfs服务

systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service

mkdir -p /csgo/host13  #创建要传输的第一个目录中的文件
mkdir -p /csgo/host14  #创建要传输的第二个目录中的文件

echo '<h1>gogogogo</h1>'> host13/index.html  #在目录中添加gogogogo内容到index.html文件中
echo '<h1>nononono</h1>'> host14/index.html


vim /etc/exports
/csgo/host13 192.168.24.0/24(ro)   
/csgo/host14 192.168.24.0/24(ro) 
                                 
systemctl enable --now rpcbind nfs                                
            
showmount -e  #查看共享的文件网段的目录的文件
Export list for localhost.localdomain:
/csgo/host14 192.168.24.0/24
/csgo/host13 192.168.24.0/24   #表示成功

3.配置节点服务器（192.168.24.73、192.168.24.74）

systemctl stop firewalld.service
setenforce 0

（1）配置虚拟 IP 地址（VIP：192.168.80.188

两台都配置
-------------------------------------------------
#此地址仅用作发送 Web响应数据包的源地址，并不需要监听客户机的访问请求（改由调度器监听并分发）。
因此使用虚接口 lo∶0 来承载 VIP 地址，并为本机添加一条路由记录，将访问 VIP 的数据限制在本地，以避免通信紊乱。

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0		
vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.24.188
NETMASK=255.255.255.255						#注意：子网掩码必须全为 1

ifup lo:0
ifconfig lo:0
route add -host 192.168.24.188 dev lo:0

vim /etc/rc.local

/sbin/route add -host 192.168.24.188 dev lo:0

chmod +x /etc/rc.d/rc.local

（2）调整内核的 ARP 响应参数以阻止更新 VIP 的 MAC 地址，避免发生冲突

vim /etc/sysctl.conf
......
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1			#系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2		#系统不使用IP包的源地址来设置ARP请求的源地址，而选择发送接口的IP地址
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2


sysctl -p  #查看参数

两台服务器都如同下面配置：
-----------------------------------------------------------------
systemctl stop firewalld.service
setenforce 0

vim /etc/yum.repo.d/nginx.repo
[nginx-stable]
name=nginx stable repo
baseurl=http://nginx.org/packages/centos/7/$basearch/
gpgcheck=0
enabled=1


yum -y install nginx

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens32 
GATEWAY=192.168.24.72 #将网关改为内网网卡地址

systemctl restart network


showmount -e 192.168.24.75 #查看NFS共享的目录文件

Export list for 192.168.24.75:
/csgo/host14 192.168.24.0/24
/csgo/host13 192.168.24.0/24

Web节点服务器1（192.168.24.73）

mount 192.168.24.75:/csgo/host13 /usr/share/nginx/html/

Web节点服务器2（192.168.24.74）

mount 192.168.24.75:/csgo/host14/usr/share/nginx/html/

4.测试 LVS 群集

在客户端使用浏览器访问 http://192.168.24.188/

curl http://192.168.24.188/index.html也可以实现