lvs

Linux Cluster:

Cluster:计算机集合,为解决某个特定问题组合起来形成的单个系统;

Linux Cluster类型:

LB:Load Balancing,负载均衡;

HA:High Availiablity,高可用;

A=MTBF/(MTBF+MTTR)

(0,1):90%, 95%, 99%, 99.5%,  99.9%, 99.99%, 99.999%

HP:High Performance,高性能;

www.top500.org

系统扩展方式:

Scale UP:向上扩展

Scale Out:向外扩展

Cluster 

LB Cluster:

LB Cluster的实现:

硬件:

F5 Big-IP

Citrix Netscaler

A10 A10

软件:

lvs:Linux Virtual Server

nginx

haproxy

ats:apache traffic server 

perlbal

pound

基于工作的协议层次划分:

传输层(通用):(DPORT)

lvs:

nginx:(stream)

haproxy:(mode tcp)

应用层(专用):(自定义的请求模型分类)

proxy sferver:

http:nginx, httpd, haproxy(mode http), …

fastcgi:nginx, httpd, …

mysql:mysql-proxy, …

站点指标:

PV:Page View

UV:Unique Vistor

IP:

会话保持:

(1) session sticky

Source IP

Cookie

(2) session replication; 

session cluster

(3) session server

lvs:Linux Virtual Server 

VS: Virtual Server

RS: Real Server

l4:四层路由器,四层交换机;

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RealServer,根据调度算法来挑选RS;

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;

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:工作于内核空间的netfilter的INPUT钩子之上的框架;

lvs集群类型中的术语:

vs:Virtual Server, Director, Dispatcher, Balancer

rs:Real Server, upstream server, backend server

CIP:Client IP, VIP: Virtual serve IP, RIP: Real server IP, DIP: Director IP

CIP <–> VIP == DIP <–> RIP 

blob.png

lvs集群的类型:

lvs-nat:修改请求报文的目标IP

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;

lvs-nat: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可以是任意系统;

blob.png

lvs-dr:Direct Routing,直接路由;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都得配置使用VIP;

(1) 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director:

(a) 在前端网关做静态绑定;

(b) 在RS上使用arptables;

(c) 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的网关不能指向DIP,以确保响应报文不会经由Director;

(3) RS跟Director要在同一个物理网络;

(4) 请求报文要经由Director,但响应不能经由Director,而是由RS直接发往Client;

(5) 不支持端口映射;

blob.png

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;

(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得支持隧道功能;

blob.png

    注意: 请求报文不能太大,否则会形成巨型帧

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还要将其发往Client;

(3) 请求和响应报文都经由Director;

(4) 支持端口映射;

注意:此类型默认不支持;

lvs类型:

lvs-nat:通过修改请求报文的目标IP地址完成调度并转发;请求和响应报文都经由Director;

lvs-dr:通过直接封装新的MAC首部完成调度并转发;仅请求报文经由Director;

lvs-tun:通过在原IP报文首部之外新封装一个IP首部完成调度并转发;仅请求报文经由Director;

lvs-fullnat:通过修改请求报文的目标IP地址和源IP地址完成调度并转发;请求和响应报文都经由Director;

会话保持:

session sticky, session replication, session server;

lvs:

ipvsadm/ipvs 






ipvs scheduler:

根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态,可分为静态方法和动态方法两种:

静态方法:仅根据算法本身进行调度;

RR:roundrobin,轮询;

WRR:Weighted RR,加权轮询;

SH:Source Hashing,实现session sticy,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;

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;

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=

LC:least connections

Overhead=activeconns*256+inactiveconns

WLC:Weighted LC

Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

SED:Shortest Expection Delay

Overhead=(activeconns+1)*256/weight

NQ:Never Queue

LBLC:Locality-Based LC,动态的DH算法;

LBLCR:LBLC with Replication,带复制功能的LBLC;

ipvsadm/ipvs:

ipvs:

~]# grep -i -C 10 "ipvs" /boot/config-3.10.0-327.el7.x86_64

支持的协议:TCP, UDP, AH, ESP, AH_ESP, SCTP;

ipvs集群:

集群服务

服务上的RS

ipvsadm命令:

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

ipvsadm -C

ipvsadm -R

ipvsadm -S [-n]

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]

管理集群服务:增、改、删;

增、改:

ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]

删:

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,是一个数字;

[-s scheduler]:指定集群的调度算法,默认为wlc;

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 server-address

server-address:

rip[:port]

选项:

lvs类型:

-g: gateway, dr类型

-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

查看:

ipvsadm -L|l [options]

–numeric, -n:numeric output of addresses and ports 

–exact:expand numbers (display exact values)

 

–connection, -c:output of current IPVS connections

–stats:output of statistics information

–rate :output of rate information

保存和重载:

ipvsadm -S = ipvsadm-save

ipvsadm -R = ipvsadm-restore 





负载均衡集群的设计要点:

(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;

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接口上时,才给予响应;

限制通告级别:arp_announce

0:默认值,把本机上的所有接口的所有信息向每个接口上的网络进行通告;

    1:尽量避免向非直接连接网络进行通告;

2:必须避免向非本网络通告;

RS的预配置脚本:

#!/bin/bash
#
vip=10.1.0.5
mask='255.255.255.255'
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 lo:0 $vip netmask $mask broadcast $vip up
route add -host $vip dev lo:0
;;
stop)
ifconfig lo:0 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='10.1.0.5'
iface='eno16777736:0'
mask='255.255.255.255'
port='80'
rs1='10.1.0.7'
rs2='10.1.0.8'
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

FWM:FireWall Mark 

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;

打标记方法(在Director主机):

# iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $proto –dport $port -j MARK –set-mark NUMBER 

基于标记定义集群服务:

# ipvsadm -A -f NUMBER [options]

lvs persistence:持久连接

持久连接模板:实现无论使用任何算法,在一段时间内,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]]

port Affinity:

每端口持久:每集群服务单独定义,并定义其持久性;

每防火墙标记持久:基于防火墙标记定义持久的集群服务;可实现将多个端口上的应用统一调度,即所谓的port Affinity;

每客户端持久:基于0端口定义集群服务,即将客户端对所有应用的请求统统调度至后端主机,而且可使用持久连接进行绑定;

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 

vim /usr/lib/systemd/system/ipvsadm.service

[Unit]
Description=Initialise the Linux Virtual Server
After=syslog.target network.target
[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/bin/bash -c "exec /sbin/ipvsadm-restore < /etc/sysconfig/ipvsadm"
ExecStop=/bin/bash -c "exec /sbin/ipvsadm-save -n > /etc/sysconfig/ipvsadm"
ExecStop=/sbin/ipvsadm -C
RemainAfterExit=yes
[Install]
WantedBy=multi-user.target

重载:

ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE

ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE

systemctl restart ipvsadm.service 

思考:

(1) Director不可用,整个系统将不可用;SPoF

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:对各RS的健康状态做检查,失败时禁用,成功时启用;

keepalived

heartbeat/corosync, ldirectord

检测方式:

(a) 网络层检测;

(b) 传输层检测,端口探测;

(c) 应用层检测,请求某关键资源;

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