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[经验分享] 浅淡负载均衡集群之LVS

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发表于 2018-1-22 13:13:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
1.服务器硬件性能不足,策略:
1.scale on 向上扩展  加大cpu 内存等硬件-----------这种方式不可能无限扩展,而且到一定程度,性能可能会下降
2.scale out 向外扩展    ------------------多台服务器对外提供服务-------------------》-目前使用的方法
cluster
1.LB 负载均衡  提高并发处理能力
2.HA  高可用集群   提升服务可用性
在线时间/(在线时间+故障处理时间)
99% 99.9% 99.99% 99.999%
3.HP(HPC)高性能集群  high performance
并行处理集群
分布式文件系统
将大任务 切割为小任务的机制
平常工作场景,用的最多的还是负载均衡及高可用集群,一般两者结合使用。
负载均衡(Load Balance)集群提供了一种廉价、有效、透明的方法,来扩展网络设备和服务器的负载、带宽,增加吞吐量,加强网络数据处理能力,提高网络的灵活性和可用性。
1.单台计算机无法承受大规模的并发访问或数据流量了,此时需要搭建负载均衡集群把流量分摊到多台节点设备上分别处理,
减少用户等待时间提升用户体验
2.7*24小时的服务保证,任意一个或多个有限后端节点设备宕机,不能影响整个业务的运行。
一般负载均衡使用较多的就是LVS(四层代理,工作在OSI7层模型中的网络层和传输层,可以对IP地址及端口作分流策略)及nginx(7层代理,工作OSI7层模型中的应用层,可以对请求内容作分流策略)。
这里介绍lvs,我公司也用的是lvs负载均衡。
LVS(linux virtual server)
  • LVS 由2部分程序组成,包括 ipvs 和 ipvsadm。
    1.ipvs(ip virtual server):一段代码工作在内核空间,叫ipvs,是真正生效实现调度的代码。

    • ipvsadm(命令行集群管理工具,需要单独安装):另外一段是工作在用户空间,叫ipvsadm,负责为ipvs内核框架编写规则,定义谁是集群服务,而谁是后端真实的服务器(Real Server)
      现在我们使用的linux发行版,内核基本都是2.6的,内核中都已集成ipvs模块,ipvs在内核空间处理应用程序层发过来的请求。
      简单来讲lvs就是一个调度器,通过一定的算法,将用户发来的请求分发给后端的服务器(真正处理请求的server)进行处理。
  • LVS工作原理

    • 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

      • PREROUTING链首先会接收到用户请求,判断目标IP确定是本机IP,将数据包发往INPUT链
      • IPVS是工作在INPUT链上的,当用户请求到达INPUT时,IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对,如果用户请求的就是定义的集群服务,那么此时IPVS会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链
    • 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,那么此时通过选路,将数据包最终发送给后端的服务器
  • LVS相关术语

    • DS:Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
    • RS:Real Server。后端真实的工作服务器。
    • VIP:向外部直接面向用户请求,作为用户请求的目标的IP地址。
    • DIP:Director Server IP,主要用于和内部主机通讯的IP地址。
    • RIP:Real Server IP,后端服务器的IP地址。
    • CIP:Client IP,访问客户端的IP地址。
  • LVS类型
    NAT:地址转换-------------------进行IP地址修改
    DR:直接路由---------------------------MAC地址修改为后端的RS的mac地址
    TUN:隧道------------------------------------把原有报文重新封装一层IP首部(内部IP首部(源地址为CIP,目标IIP为VIP),外层IP首部(源地址为DIP,目标IP为RIP)
    client ip----->VIP---DIP--------->real server
5   .       LVS/NAT原理和特点
(a). 当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为VIP
(b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链
(c). IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务,若是,修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP,然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为RIP
(d). POSTROUTING链通过选路,将数据包发送给Real Server
(e). Real Server比对发现目标为自己的IP,开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP,目标IP为CIP
(f). Director Server在响应客户端前,此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址,然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP,目标IP为CIP
NAT特点
NAT:集群节点跟director必须在同一个IP网络中
RIP通常是私有地址,仅用于各集群间的通信
director位于client和real server之间,并负责处理进出的所有通信
real server必须将网关指向DIP
支持端口映射
real server可以使用任意OS
较大规模中,director容易成为系统瓶颈(因为处理后的响应都要经过director)
6 .         LVS/DR原理和特点
(a) 当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为VIP
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链
(c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务,若是,将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址,将目标MAC地址修改RIP的MAC地址,然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改,仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址,目标MAC地址为RIP的MAC地址
(d) 由于DS和RS在同一个网络中,所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址,那么此时数据包将会发至Real Server。
(e) RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址,就接收此报文。处理完成之后,将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP,目标IP为CIP
(f) 响应报文最终送达至客户端
DR特点
DR------》直接路由  通过修改数据包目的mac地址,注意RS的 arp抑制问题
集群节点跟director必须在同一个物理网络中
real server可以使用公网地址,实现便捷的远程管理
director仅负责处理入站请求,响应报文直接由real server发给客户端,不经过director。
real server不能将网关指向DIP
不支持端口映射
可以处理更多的用户请求
7 .    LVS/Tun原理和特点
(a) 当用户请求到达Director Server,此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP,目标IP为VIP 。
(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机,将数据包送至INPUT链
(c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务,若是,在请求报文的首部再次封装一层IP报文,封装源IP为为DIP,目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP,目标IP为RIP
(d) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文,将数据包发至RS(因为在外层封装多了一层IP首部,所以可以理解为此时通过隧道传输)。 此时源IP为DIP,目标IP为RIP
(e) RS接收到报文后发现是自己的IP地址,就将报文接收下来,拆除掉最外层的IP后,会发现里面还有一层IP首部,而且目标是自己的lo接口VIP,那么此时RS开始处理此请求,处理完成之后,通过lo接口送给eth0网卡,然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP,目标IP为CIP
(f) 响应报文最终送达至客户端
TUN特点
集群节点可以跨越internet
real server IP必须是公网地址
director仅处理入站请求,响应报文由real server直接发往客户端
不支持端口映射
企业中常用的还是DR直接路由
  • 调度方法
    可以man   ipvsadm查看相关算法
    1.轮叫调度 rr

这种算法是最简单的,就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上,
该算法最大的特点就是简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的,
调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器,不管后端 RS 配置和处理能力,
非常均衡地分发下去。
  • 加权轮叫 wrr
这种算法比 rr 的算法多了一个权重的概念,可以给 RS 设置权重,权重越高,
那么分发的请求数越多,权重的取值范围 0 – 100。主要是对rr算法的一种优化和补充,
LVS 会考虑每台服务器的性能,并给每台服务器添加要给权值,如果服务器A的权值为1,
服务器B的权值为2,则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器,
处理的请求越多。
  • 最少链接 lc
这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁,
比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少,那么请求就优先发给 RS1
  • 加权最少链接 wlc
这个算法比 lc 多了一个权重的概念。
  • 基于局部性的最少连接调度算法 lblc
这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法,
该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器,
如果这台服务器依然可用,并且有能力处理该请求,调度器会尽量选择相同的服务器,
否则会继续选择其它可行的服务器
  • 复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr
记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录,
它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系,防止单点服务器负载过高。
  • 目标地址散列调度算法 dh
该算法是根据目标 IP 地址通过散列函数将目标 IP 与服务器建立映射关系,
出现服务器不可用或负载过高的情况下,发往该目标 IP 的请求会固定发给该服务器。
  • 源地址散列调度算法 sh
    与目标地址散列调度算法类似,但它是根据源地址散列算法进行静态分配固定的服务器资源。
  • 最少队列调度 nq
    无需队列,如果有台RS的连接数为0就直接分配过去
    我司采用的即是最后一种调度算法


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