LVS 负载均衡集群 – 直接路由模式(LVS-DR)

LVS 负载均衡集群 – 直接路由模式(LVS-DR)文章目录一、LVS-DR数据包流向分析二、LVS-DR模式的特点三、LVS-DR中的ARP问题四、部署LVS-DR负载均衡集群一、LVS-DR数据包流向分析为方便进行原理分析,将Client与集群机器放在同一网络中,数据包流经的路线为1-2-3-4。Client向目标VIP发出请求,Director(负载均衡器)接收此时源MAC地址为Client的MAC地址目标MAC地址为调度器Director的MAC地址Directo

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

一、LVS-DR 数据包流向分析

为方便进行原理分析,将 Client 与集群机器放在同一网络中,数据包流经的路线为 1 – 2 – 3 – 4。
在这里插入图片描述

Client 向目标 VIP 发出请求,Director(负载均衡器)接收

  • 此时源 MAC 地址为 Client 的 MAC 地址
  • 目标 MAC 地址为调度器 Director 的 MAC 地址

Director 根据负载均衡算法选择 RealServer

  • 不修改也不封装 IP 报文,而是将数据帧的 MAC 地址改为 RealServer 的 MAC 地址,然后在局域网上发送
  • 此时源 MAC 地址为 Director 的 MAC 地址,目的 MAC 地址为 RealServer 的 MAC 地址

RealServer 收到这个帧

  • 解封装后发现目标 IP 与本机匹配(RealServer 事先绑定了 VIP),于是处理这个报文
  • 随后重新封装报文,将响应报文通过 lo 接口传送给物理网卡然后向外发出
  • 此时源 MAC 地址为 RealServer 的 MAC 地址,目的 MAC 地址为 Client 的 MAC 地址

Client 将收到回复的报文

  • Client 认为得到正常的服务,而不会知道是哪一台服务器处理的
  • 如果跨网段,则报文通过路由器会经由 Internet 返回给用户

二、LVS-DR 模式的特点

- 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 Real 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 地址。

三、LVS-DR 中的 ARP 问题

在这里插入图片描述
在 LVS-DR 负载均衡集群中,负载均衡与节点服务器都要配置相同的 VIP 地址,这样会引起一些问题

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网络上,它们都会接收到 ARP 广播
  • 设置只有前端的负载均衡器进行响应,其他节点服务器均不响应 ARP 广播
//解决方法:
使用虚接口 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)

响应报文的源 IP

  • 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
  • 且发送 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,而路由器根据 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)

通过修改内核参数解决 ARP 的两个问题

#修改 /etc/sysctl.conf 文件,末行添加如下内容
vim /etc/sysctl.conf
......
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

参数详解:

arp_ignore = 1
防止网关路由器发送 ARP 广播时,调度器和节点服务器都进行相应,导致 ARP 缓存表的紊乱,不对非本地物理网卡 IP 的 ARP 请求进行响应,因为 VIP 是承载在 lo:0。

arp_announce = 2
系统不使用响应数据包的源 IP 地址(VIP)来作为本机进行 ARP 请求报文的源 IP 地址,而使用发送报文的物理网卡 IP 地址作为 ARP 请求报文的源 IP 地址,
这样可以防止网关路由器接收到源 IP 地址为 VIP 的 ARP 请求报文后又更新 ARP 缓存表,导致外网再发送请求时,数据包到不了调度器。

四、部署 LVS-DR 负载均衡集群

1. 案例背景

  为了进一步提高公司的负载能力,公司决定扩展现有的网站平台,基于 LVS 构建负载均衡集群。考虑到集群的访问效率,管理员准备采用 LVS 集群的 DR 模式,共享存储设备位于内部专有网络中。

2. 架构概述

在这里插入图片描述

  • 在 DR 模式的群集中,LVS 负载调度器作为群集的访问入口,但不作为网关使用
  • 服务器池中的所有节点都各自接入 Internet,发送给客户机的 Web 响应数据包不需要经过 LVS 负载调度器
  • 这种方式入站、出站访问数据被分别处理,因此 LVS 负载调度器和所有节点服务器都需要配置有 VIP 地址,以便响应应对整个群集的访问
  • 考虑到数据存储的安全性,共享存储设备会放在内部的专用网络内

3. 安装环境

  • 宿主机:Win10 专业工作站版本
  • VMware Pro 16
  • CentOS 7
  • 网络适配器:均为 NAT 模式
  • 网卡配置:均为静态获取 IP
  • YUM 源:本地
服务器 IP
DR 服务器 192.168.10.20
VIP 192.168.10.25
Web 服务器 1 192.168.10.30
Web 服务器 2 192.168.10.40
NFS 服务器 192.168.10.50

4. 正式部署

(1) 配置负载调度器

192.168.10.20

加载 LVS 内核模块

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

配置虚拟地址(VIP)
采用虚接口的方式为网卡绑定 VIP 地址,以便响应群集访问

cd /etc/sysconfig/network-scripts/ && cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens33:0
echo > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33:0

cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33:0 <<EOF DEVICE=ens33:0 ONBOOT=yes IPADDR=192.168.10.25 NETMASK=255.255.255.255 EOF

ifup ens33:0
ifconfig ens33:0

调整 proc 响应参数
对于 DR 集群来说,由于由于 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

cat >> /etc/sysctl.conf <<EOF 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 EOF

sysctl -p	#使配置生效

配置负载分配策略

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

ipvsadm -C
#清除原有策略

ipvsadm -A -t 192.168.10.25:80 -s rr
ipvsadm -a -t 192.168.10.25:80 -r 192.168.10.30:80 -g
ipvsadm -a -t 192.168.10.25:80 -r 192.168.10.40:80 -g
#若使用隧道模式,则结尾处 -g 替换为 -i

ipvsadm

ipvsadm -ln
#查看节点状态,Route 代表 DR 模式

(2) 配置 NFS 共享存储

192.168.10.50

systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld
setenforce 0
yum install -y nfs-utils rpcbind
systemctl start nfs && systemctl enable nfs
systemctl start rpcbind && systemctl enable rpcbind
mkdir /opt/test1 /opt/test2
chmod 777 /opt/test1/ /opt/test2/

cat > /etc/exports <<EOF /usr/share *(ro,sync) /opt/test1 192.168.10.0/24(rw,sync) /opt/test2 192.168.10.0/24(rw,sync) EOF

exportfs -rv
showmount -e

(3) 配置 WEB 节点服务器

192.168.10.30
192.168.10.40

使用 DR 模式时,WEB 节点服务器也需要配置 VIP 地址,并调整内核的 ARP 响应参数以组织更新 VIP 的 MAC 地址,避免发生冲突
除此之外,Web 服务的配置与 NAT 方式类似

① WEB1

准备

systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld
setenforce 0
#为了模拟内网环境,可将两个 WEB 节点服务器的网关和 DNS 注释掉后重启网卡
#如果有网关服务器则指向网关服务器
#需要下载软件使用本地 YUM 仓库

配置虚拟 IP 地址

#此地址仅用做发送 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
echo > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0

cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0 <<EOF DEVICE=lo:0 IPADDR=192.168.10.25 NETMASK=255.255.255.255 ONBOOT=yes EOF

ifup lo:0
ifconfig lo:0
route add -host 192.168.10.25 dev lo:0
route -n

cat >> /etc/rc.local <<EOF /sbin/route add -host 192.168.10.25 dev lo:0 EOF

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

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

cat >> /etc/sysctl.conf <<EOF net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2 net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 EOF

sysctl -p

挂载共享目录

yum -y install nfs-utils rpcbind httpd
systemctl start rpcbind && systemctl enable rpcbind
systemctl start httpd && systemctl enable httpd
mount.nfs 192.168.10.50:/opt/test1 /var/www/html/
echo 'Hello test1~' > /var/www/html/index.html
echo "192.168.10.50:/opt/test1 /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0" >> /etc/fstab
mount -a

② WEB2

除了共享目录,其他配置同 WEB1

systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld
setenforce 0
cd /etc/sysconfig/network-scripts/ && cp ifcfg-lo ifcfg-lo:0
echo > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0

cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0 <<EOF DEVICE=lo:0 IPADDR=192.168.10.25 NETMASK=255.255.255.255 ONBOOT=yes EOF

ifup lo:0
route add -host 192.168.10.25 dev lo:0

cat >> /etc/rc.local <<EOF /sbin/route add -host 192.168.10.25 dev lo:0 EOF

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

cat >> /etc/sysctl.conf <<EOF net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2 net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1 net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2 EOF

sysctl -p

yum -y install nfs-utils rpcbind httpd
systemctl start rpcbind && systemctl enable rpcbind
systemctl start httpd && systemctl enable httpd
mount.nfs 192.168.10.50:/opt/test2 /var/www/html/
echo 'Hello test2~' > /var/www/html/index.html
echo "192.168.10.50:/opt/test2 /var/www/html nfs defaults,_netdev 0 0" >> /etc/fstab
mount -a

5. 测试 LVS-DR 集群

  • 使用 Win10 作为测试客户端(默认网关指向 VIP),从 Internet 中直接访问 http://192.168.10.25(VIP)
  • Windows 10 也用 NAT 模式,同一个网段不能冲突
  • 能够看到由真实服务器提供的网页内容。如果各节点的网页不同,则不同客户机看到的网页也不一样(需多刷新几次,等待一会儿)

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