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部署LVS-DR集群

见习宇航员* 2023-07-14 12:00:02
简介部署LVS-DR集群

引言

一、LVS-DR工作原理

LVS-DR（Linux Virtual Server Director Server）工作模式，是生产环境中最常用的一 种工作模式。

  • LVS-DR 模式，Director Server 作为群集的访问入口，不作为网关使用
  • 节点 Director Server 与 Real Server 需要在同一个网络中，返回给客户端的数据不需要经过 Director Server。
  • 为了响应对整个群集的访问，Director Server 与 Real Server 都需要配置 VIP 地址。
客户机发起请求，经过调度服务器（lvs），经过算法调度，去访问真实服务器（RS）

由于不原路返回，客户机不知道，真实主机的ip地址，

所以只能通过调度服务器的外网ip（vip）去反回报文信息。


Director Server作为群集的访问入口，但不作为网关使用，后端服务器池中的Real Server与Director Server在同一个物理网络中，发送给客户机的数据包不需要经过Director Server。为了响应对整个群集的访问，DS（前端负载均衡节点服务器）与RS（后端真实服务器）都需要配置有VIP地址。

每个Real Server上都有两个IP：VIP（负载均衡对外提供访问的 IP 地址）和RIP（负载均衡后端的真实服务器 IP 地址），但是VIP是隐藏的，就是不能提供解析等功能，只是用来做请求回复的源IP的，Director上只需要一个网卡，然后利用别名来配置两个IP：VIP和DIP（负载均衡与后端服务器通信的 IP 地址），在DIR接收到客户端的请求后，DIR根据负载算法选择一台rs sever的网卡mac作为客户端请求包中的目标mac，通过arp转交给后端RS serve处理，后端再通过自己的路由网关回复给客户端。

二、LVS-DR数据流向

数据包流向分析：

  • 用户发送请求到Director Server,请求的数据报文（源IP是CIP,目标IP是VIP）到达内核空间。
  • 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层数据链路层来传输。
  • 内核空间判断数据包的目标IP是本机IP，此时IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，重新封装数据包，修改源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址，源IP地址与目标IP地址没有改变，然后将数据包发送给Real Server.
  • RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文，重新封装报文(源IP地址为VIP，目标IP为CIP),将响应报文通过lo接口传送给ens33网卡然后向外发出。
  • ​RS直接将响应报文传送到客户端。

三、DR模式特点及优缺点

1、DR模式特点

  • Director Server 和 Real Server 必须在同一个物理网络中。
  • Real Server 可以使用私有地址，也可以使用公网地址。如果使用公网地址，可以通过互联网对 RIP 进行直接访问。
  • Director Server作为群集的访问入口，但不作为网关使用。
  • 所有的请求报文经由 Director Server，但回复响应报文不能经过 Director Server。
  • Real Server 的网关不允许指向 Director Server IP，即Real Server发送的数据包不允许经过
  • Director Server。
  • Real Server 上的 lo 接口配置 VIP 的 IP 地址。

2、LVS-DR的优缺点

优点：
负载均衡器只负责将请求包分发给物理服务器，而物理服务器将应答包直接发给用户。所以，负载均衡器能处理很巨大的请求量，这种方式，一台负载均衡能为 超过100台的物理服务器服务，负载均衡器不再是系统的瓶颈。使用VS-DR方式，如果你的负载均衡器拥有100M的全双工网卡的话，就能使得整个 Virtual Server能达到1G的吞吐量。甚至更高；

缺点：
这种方式需要所有的DIR和RIP都在同一广播域；不支持异地容灾。

四、ARP解析问题

4.1 问题一：IP 地址冲突

在LVS-DR负载均衡集群中，负载均衡器与节点服务器都要配置相同的VIP地址，在局域网中具有相同的IP地 址。势必会造成各服务器ARP通信的紊乱

  • 当ARP广播发送到LVS-DR集群时，因为负载均衡器和节点服务器都是连接到相同的网络上，它们都会接收到ARP广播
  • 只有前端的负载均衡器进行响应，其他节点服务器不应该响应ARP广播

解决方法：

  • 对节点服务器进行处理，使其不响应针对VIP的ARP请求
  • 用虚接口lo:0承载VIP地址
  • 设置内核参数arp_ ignore=1: 系统只响应目的IP为本地IP的ARP请求

路由器发送ARP请求（广播）
ARP---->广播去找ip地址解析成mac地址
默认使用调度服务器上的外网地址（vip地址）响应，
需要在真实服务器上修改内核参数
使真实服务器只对自己服务器上的真实IP地址响应ARP解析。

4.2 问题二：第二次再有访问请求

RealServer返回报文（源IP是VIP）经路由器转发，重新封装报文时，需要先获取路由器的MAC地址，发送ARP请求时，Linux默认使用IP包的源IP地址（即VIP）作为ARP请求包中的源IP地址，而不使用发送接口的IP地址，路由器收到ARP请求后，将更新ARP表项，原有的VIP对应Director的MAC地址会被更新为VIP对应RealServer的MAC地址。路由器根据ARP表项，会将新来的请求报文转发给RealServer，导致Director的VIP失效

解决方法：
对节点服务器进行处理，设置内核参数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

路由器上绑定了 真实服务器1的mac信息，
请求到达真实服务器
在真实服务器上修改内核参数
只对所有服务器真实网卡上的地址进行反馈，解析


五、部署LVS-DR群集

实验准备

DR 服务器：192.168.109.12
web 服务器1：192.168.109.13
web 服务器2：192.168.109.14
vip（虚拟回环）：192.168.109.120
NFS服务器：192.168.109.11
客户端：192.168.109.100


1、配置负载调度器（192.168.109.12）

1.1 关闭防火墙
systmctl stop firewalld.service
setenforce 0
 


1.2 安装ipvsadm工具

yum install -y ipvsadm
 


1.3 配置虚拟IP地址（VIP:192.168.109.120）

cd /etc/sysconfig/network-scripts/
cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0
vim ifcfg-ens33:0
ifup ens33:0
ifconfig ens33:0
 

1.4 调整/proc响应参数

对于 DR 群集模式来说，由于 LVS 负载调度器和各节点需要共用 VIP 地址，应该关闭 Linux 内核的重定向参数响应服务器不是一台路由器，那么它不会发送重定向，所以可以关闭该功能。

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

1.5配置负载分配

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

ipvsadm -C
ipvsadm -A -t 192.168.116.120:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.109.120:80 -r 192.168.109.13:80 -g      #若隧道模式，-g替换为-i
ipvsadm -a -t 192.168.109.120:80 -r 192.168.109.14:80 -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：192.168.109.11）

2.1 关闭防火墙

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

2.2 安装nfs和rpcbind

yum install nfs-utils rpcbind -y
systemctl start nfs.service
systemctl start rpcbind.service
systemctl enable nfs.service
systemctl enable rpcbind.service


2.3 创建共享目录，并设置权限
mkdir /opt/zb /opt/lc
chmod 777 /opt/zb /opt/lc
 


2.4 输入网页内容
echo "zhangbin youshoujiuxing" > /opt/zb/index.html
echo "lichen kankanjiuhui" > /opt/lc/index.html


2.5 设置共享目录
vim /etc/exports
/opt/zb 192.168.109.0/24(rw,sync)
/opt/lc 192.168.109.0/24(rw,sync)


ro    该主机对该共享目录有只读权限
rw    该主机对该共享目录有读写权限
root_squash    客户机用root用户访问该共享文件夹时，将root用户映射成匿名用户
no_root_squash    客户机用root访问该共享文件夹时，不映射root用户
all_squash    客户机上的任何用户访问该共享目录时都映射成匿名用户
anonuid    将客户机上的用户映射成指定的本地用户ID的用户
anongid    将客户机上的用户映射成属于指定的本地用户组ID
sync    资料同步写入到内存与硬盘中
async    资料会先暂存于内存中，而非直接写入硬盘
insecure    允许从这台机器过来的非授权访问

2.6 发布共享

exportfs -rv


3、配置节点服务器（192.168.109.13、192.168.109.14）

3.1 关闭防火墙
systemctl stop firewalld.service
setenforce 0


3.2 配置虚拟IP地址（VIP：192.168.109.120）
#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   #添加回环网卡
vim ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.109.120
NETMASK=255.255.255.255           #注意：子网掩码必须全为 1
 

3.3 重启并查看，添加VIP本地访问路由
ifup lo:0
ifconfig lo:0
route add -host 192.168.109.120 dev lo:0
 


3.4 设置系统自动识别，并设置执行权限
vim /etc/rc.local
/sbin/route add -host 192.168.109.120 dev lo:0
chmod +x /etc/rc.d/rc.local
 

3.5 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.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.default.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
sysctl -p
 

3.6 安装nfs、rpcbind和httpd服务

3.7 开启相关服务，并挂载分享端的内容
上面步骤，web1和web2一样

4、客户机测试（192.168.109.100）


刷新显示共享页面


六、LVS-DR问题总结

1、LVS/DR如何处理请求报文的，会修改IP包内容吗？
vs/dr本身不会关心IP层以上的信息，即使是端口号也是tcp/ip协议栈去判断是否正确，vs/dr本身主要做这么几个事：

接收client的请求，根据你设定的负载均衡算法选取一台realserver的ip；
以选取的这个ip对应的mac地址作为目标mac，然后重新将IP包封装成帧转发给这台RS；
在hash table中记录连接信息。
vs/dr做的事情很少，也很简单，所以它的效率很高，不比硬件负载均衡设备差多少，数据包、数据帧的大致流向是这样的：client –> VS –> RS –> client。

2、RealServer为什么要在lo接口上配置VIP？在出口网卡上配置VIP可以吗？
既然要让RS能够处理目标地址为vip的IP包，首先必须要让RS能接收到这个包。在lo上配置vip能够完成接收包并将结果返回client。不可以将VIP设置在出口网卡上,否则会响应客户端的arp request,造成client/gateway arp table紊乱，以至于整个load balance都不能正常工作。

3、RealServer为什么要抑制arp帧？
我们知道仰制arp帧需要在server上执行以下命令，如下：

echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

因为arp对逻辑口没有意义。实际上起作用的只有以下两条:

echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

即对所有的物理网卡设置arp仰制。对仰制所有的物理网卡设置arp仰制是为了让CIP发送的请求顺利转交给DIR以及防止整个LVS环境arp表混乱，不然容易导致整个lvs不能工作。

4、LVS/DR load balancer（director）与RS为什么要在同一网段中？
lvs/dr它是在数据链路层来实现的，即RIP必须能够接受到DIR的arp请求，如果不在同一网段则会隔离arp，这样arp请求就不能转发到指定的RIP上，所以director必须和RS在同一网段里面。

5、为什么director上eth0接口除了VIP另外还要配一个ip（即DIP）？
如果是用了keepalived等工具做HA或者Load Balance,则在健康检查时需要用到DIP。 没有健康检查机制的HA或者Load Balance则没有存在的实际意义。

6、director的vip的netmask一定要是255.255.255.255吗？
lvs/dr里，director的vip的netmask 没必要设置为255.255.255.255，director的vip本来就是要像正常的ip地址一样对外通告的,不要搞得这么特殊。

7、RS设置lo:0而不设置ens33:0的原因
因为“负载调度机”转发时并不会改写数据包的目的IP，所以“节点服务器”收到的数据包的目的IP仍是“负载调度器”的虚拟服务IP。为了保证“节点服务器”能够正确处理该数据包，而不是丢弃，必须在“节点服务器”的环回网卡上绑定“负载调度器”的虚拟服务IP。这样“节点服务器”会认为这个虚拟服务IP是自己的IP，自己是能够处理这个数据包的。否则“节点服务器”会直接丢弃该数据包！

“节点服务器”上的业务进程必须监听在环回网卡的虚拟服务IP上，且端口必须和“负载调度机”上的虚拟服务端口一致。因为“负载调度机”不会改写数据包的目的端口，所以“节点服务器”服务的监听端口必须和虚拟服务端口一致，否则“节点服务器”会直接拒绝该数据包。

“节点服务器”处理完请求后，响应直接回给客户端，不再经过“负载调度机”。因为“节点服务器”收到的请求数据包的源IP是客户端的IP，所以理所当然“节点服务器”的响应会直接回给客户端，而不会再经过“负载调度机”。这时候要求“节点服务器”和客户端之间的网络是可达的。

“负载调度机”和“节点服务器”须位于同一个子网。因为“负载调度机”在转发过程中需要改写数据包的MAC为“节点服务器”的MAC地址，所以要能够查询到“节点服务器”的MAC。而要获取到“节点服务器”的MAC，则需要保证二者位于一个子网，否则“负载调度机”只能获取到“节点服务器”网关的MAC地址。

七、总结

本文主要介绍了LVS-DR模式的工作原理以及数据流向，分析了ARP解析问题和LVS-DR常见问题，讲解了如何部署LVS-DR群集。
 

风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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