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LVS+Keepalived高性能业务架构解决方案

云计算 keepalived lvs 负载均衡 2018/11/21

本文于2063天之前发表，文中内容可能已经过时。

一、概况

1.1 应用场景

Nginx/LVS/HAProxy的基于Linux的开源免费的负载均衡软件。对于大型的，需要进行高并发的网站或者对网络不太严格的场景，可以使用Nginx；对于大型的Web服务器的时候可以使用Haproxy；对性能有严格要求的时候可以使用LVS，就单纯从负载均衡的角度来说，LVS也许会成为主流，更适合现在大型的互联网公司。本文采用LVS+keepalived方案来解决业务架构高可用。

1.2 LVS/Nginx/HAProxy特点

名称 特点
LVS 1) 抗负载能力强、是工作在网络4层之上仅作分发之用，没有流量的产生，这个特点也决定了它在负载均衡软件里的性能最强的；2) 配置性比较低，这是一个缺点也是一个优点，因为没有可太多配置的东西，所以并不需要太多接触，大大减少了人为出错的几率；3) 工作稳定，自身有完整的双机热备方案，如LVS+Keepalived和LVS+Heartbeat，不过我们在项目实施中用得最多的还是LVS/DR+Keepalived；4) 无流量，保证了均衡器IO的性能不会收到大流量的影响；5) 应用范围比较广，可以对所有应用做负载均衡；6) 软件本身不支持正则处理，不能做动静分离，这个就比较遗憾了；其实现在许多网站在这方面都有较强的需求，这个是Nginx/HAProxy+Keepalived的优势所在。7) 如果是网站应用比较庞大的话，实施LVS/DR+Keepalived起来就比较复杂了，特别后面有Windows Server应用的机器的话，如果实施及配置还有维护过程就比较复杂了。
Nginx 1) 工作在网络的7层之上，可以针对http应用做一些分流的策略，比如针对域名、目录结构，它的正则规则比HAProxy更为强大和灵活，这也是许多朋友喜欢它的原因之一；2) Nginx对网络的依赖非常小，理论上能ping通就就能进行负载功能，这个也是它的优势所在；3) Nginx安装和配置比较简单，测试起来比较方便；4) 也可以承担高的负载压力且稳定，一般能支撑超过几万次的并发量；5) Nginx可以通过端口检测到服务器内部的故障，比如根据服务器处理网页返回的状态码、超时等等，并且会把返回错误的请求重新提交到另一个节点，不过其中缺点就是不支持url来检测；6) Nginx仅能支持http和Email，这样就在适用范围上面小很多，这个它的弱势；7) Nginx不仅仅是一款优秀的负载均衡器/反向代理软件，它同时也是功能强大的Web应用服务器。LNMP现在也是非常流行的web架构，大有和以前最流行的LAMP架构分庭抗争之势，在高流量的环境中也有很好的效果。8) Nginx现在作为Web反向加速缓存越来越成熟了，很多朋友都已在生产环境下投入生产了，而且反映效果不错，速度比传统的Squid服务器更快，有兴趣的朋友可以考虑用其作为反向代理加速器。
HAProxy 1) HAProxy是支持虚拟主机的，以前有朋友说这个不支持虚拟主机，我这里特此更正一下。2) 能够补充Nginx的一些缺点比如Session的保持，Cookie的引导等工作3) 支持url检测后端的服务器出问题的检测会有很好的帮助。4) 它跟LVS一样，本身仅仅就只是一款负载均衡软件；单纯从效率上来讲HAProxy更会比Nginx有更出色的负载均衡速度，在并发处理上也是优于Nginx的。5) HAProxy可以对Mysql读进行负载均衡，对后端的MySQL节点进行检测和负载均衡，不过在后端的MySQL slaves数量超过10台时性能不如LVS，所以我向大家推荐LVS+Keepalived。6) HAProxy的算法现在也越来越多了，算法特别灵活

二、相关理论

2.1 Keepalived工作原理

keepalived：顾名思义是保持存活，常用来搭建设备的高可用，防止业务核心设备出现单点故障。keepalived基于VRRP协议来实现高可用，主要用作realserver的健康检查以及负载均衡主机和backup主机之间的故障漂移。如果将TCP/IP划分为5层，则Keepalived就是一个类似于3~5层交换机制的软件，具有3~5层交换功能，其主要作用是检测web服务器的状态，如果某台web服务器故障，Keepalived将检测到并将其从系统中剔除，当该web服务器工作正常后Keepalived自动将其加入到服务器群中，这些工作全部自动完成，而不需要人工干预，只需要人工修复故障的web服务器即可。

三层机理是发送ICMP数据包即PING给某台服务器，如果不通，则认为其故障，并从服务器群中剔除；四层机理是检测TCP端口号状态来判断某台服务器是否故障，如果检测端口存在异常，则从服务器群中剔除；五层机理是根据用户的设定检查某个服务器应用程序是否正常运行，如果不正常，则从服务器群中剔除。

2.2 LVS工作原理

LVS工作在网络层。通过控制IP来实现负载均衡。IPVS是其具体的实现模块。IPVS的主要作用：安装在Director Server上面，在Director Server虚拟一个对外访问的IP（VIP）。用户访问VIP，到达Director Server，Director Server根据一定的规则选择一个Real Server，处理完成后然后返回给客户端数据。这些步骤产生了一些具体的问题，比如如何选择具体的Real Server，Real Server如果返回给客户端数据等等。IPVS为此有三种机制：

n VS/NAT(Virtual Server via Network Address Translation)，即网络地址翻转技术实现虚拟服务器。当请求来到时，Diretor server上处理的程序将数据报文中的目标地址（即虚拟IP地址）改成具体的某台Real Server,端口也改成Real Server的端口，然后把报文发给Real Server。Real Server处理完数据后，需要返回给Diretor Server，然后Diretor server将数据包中的源地址和源端口改成VIP的地址和端口，最后把数据发送出去。由此可以看出，用户的请求和返回都要经过Diretor Server，如果数据过多，Diretor Server肯定会不堪重负。

n VS/TUN（Virtual Server via IP Tunneling）,即IP隧道技术实现虚拟服务器。它跟VS/NAT基本一样，但是Real server是直接返回数据给客户端，不需要经过Diretor server,这大大降低了Diretor server的压力。

n VS/DR（Virtual Server via Direct Routing），即用直接路由技术实现虚拟服务器。跟前面两种方式，它的报文转发方法有所不同，VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给客户，免去了VS/TUN中的IP隧道开销。这种方式是三种负载调度机制中性能最高最好的，但是必须要求Director Server与Real Server都有一块网卡连在同一物理网段上。

三、架构拓扑

img

四、资源规划

主机名称 内网IP 操作系统
LVS-Master 10.10.10.2 Centos 6.5 64位
LVS-Backup 10.10.10.3 Centos 6.5 64位
WEB01 10.10.10.11 Centos 6.5 64位
WEB02 10.10.10.12 Centos 6.5 64位
WEB03 10.10.10.13 Centos 6.5 64位
NFS-server 10.10.10.20 Centos 6.5 64位
VIP 10.10.10.100 \

五、实施部署

5.1 初始化配置

l getenforce 0关闭SeLinux

l 修改主机名

l 防火墙开放22/80端口

l 测试网络连通性

l 更新YUM源

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mv /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo.backup

wget -O /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo <http://mirrors.aliyun.com/repo/Centos-6.repo>

yum makecache           #生成缓存

5.2 LVS配置

在master与backup上面同时配置

安装可采用yum直接安装，或下载tar包编译安装。

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yum install ipvsadm

/etc/init.d/ipvsadm save

/etc/init.d/ipvsadm start

查看ipvsadm状态

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/etc/init.d/ipvsadm -ln

# 开启icmp包重定向

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echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects

#添加路由

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route add -host 10.10.10.100 dev eth1

#清除LVS规则

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ipvsadm -C

# 添加一条虚拟服务器记录

# -p指定一定的时间内将相同的客户端分配到同一台后端服务器解决session问题

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ipvsadm -A -t 10.10.10.100:80 -s wlc -p

# 添加真实服务器记录

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ipvsadm -a -t 10.10.10.100:80 -r 10.10.10.11:80 -g -w 1

ipvsadm -a -t 10.10.10.100:80 -r 10.10.10.12:80 -g -w 1

ipvsadm -a -t 10.10.10.100:80 -r 10.10.10.13:80 -g -w 1

#设置tcp tcpfin udp超市连接值

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ipvsadm --set 30 120 300

Ipvsadm

配置完成后，查看ipvsadm状态与主机路由

wKiom1if6QGxmGLvAAJAoSW8TjY908.png
wKioL1if6VPQswrgAADfbd18iPA107.png
wKiom1if6YaykMuFAAEnqxb0DZ0588.png
wKioL1if6bLwOe-kAAImyjyDCZE115.png

5.3 Keepalived部署

5.3.1 Keepalived的安装

在master与backup上面均需要配置

安装开发组环境工具

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yum groupinstall "Development tools" -y

安装相应软件包

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yum install openssl-devel popt-devel -y

ln -s /usr/src/kernels/2.6.32-642.1.1.el6.x86_64 /usr/src/linux   #此处要根据实际操作系统最高版本的kernel 为准

如果/usr/src/kernels/下面没文件使用yum 安装 kernel-devel

#下载keepalive

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wget [http://www.keepalived.org/software/keepalived-1.2.24.tar.gz](http://www.keepalived.org/software/keepalived-1.2.1.tar.gz)

tar zxvf keepalived-1.2.24.tar.gz

cd keepalived-1.2.24

./configure --with-kernel-dir=/usr/src/kernels/2.6.32-642.1.1.el6.x86_64

(注意这个步骤要看到以下字样才是正常的)

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Use IPVS Framework : Yes

IPVS sync daemon support : Yes

 

make && make install

cp /usr/local/etc/rc.d/init.d/keepalived /etc/rc.d/init.d/

cp /usr/local/etc/sysconfig/keepalived /etc/sysconfig/

mkdir /etc/keepalived

cp /usr/local/etc/keepalived/keepalived.conf /etc/keepalived/

cp /usr/local/sbin/keepalived /usr/sbin/

chkconfig --add keepalived

chkconfig --level 2345 keepalived on

/etc/init.d/keepalived start

至此keepalive就已经安装完毕。

注意：主要backup服务器之上修改两点即可

1、state MASTER backup服务器需要更改为BACKUP

2、priority 100小于master的优先级

5.3.2 配置keepalived

编辑keepalived.conf

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! Configuration File for keepalived

 

global_defs {

   notification_email {

xuel@51idc.com

   }

   notification_email_from Alexandre.Cassen@firewall.loc

   smtp_server 127.0.0.1

   smtp_connect_timeout 30

   router_id LVS_DEVEL

}

 

vrrp_instance VI_1 {

​    state MASTER #backup主机配置为BACKUP

​    interface eth0    #实例绑定的网卡

​    virtual_router_id 51    # VRID 标记（ 0...255 ）

​    priority 100#backup主机配置优先级小于100，如配置90

​    advert_int 1#检查间隔，默认 1s

​    authentication {

​        auth_type PASS

​        auth_pass 1111

​    }

​    virtual_ipaddress {

​        10.10.10.100#VIP地址，如果有多个 VIP ，继续换行填写

​    }

}

 

virtual_server 10.10.10.100 80 {     #设置 VIP及监听后端服务端口

​    delay_loop 6

​    lb_algo wrr#LVS调度算法 rr|wrr|lc|wlc|sh|dh|lblc

​    lb_kind DR#LVS实现负载均衡的机制 NAT|DR|TUN

​    nat_mask 255.255.255.0

​    persistence_timeout 50# 会话保持时间

​    protocol TCP

 

​    real_server 10.10.10.11 80 {

weight 3

​          TCP_CHECK {#tcp健康检查

​             connect_timeout 10#连接超时时间

​             nb_get_retry 3#重连次数

​             delay_before_retry 3#重连间隔时间

​             connect_port 80#健康检查端口

​          }

​      }

​     real_server 10.10.10.12 80 {

​     weight 3

​          TCP_CHECK {

​             connect_timeout 10

​             nb_get_retry 3

​             delay_before_retry 3

​             connect_port 80

​          }

​      }

​     real_server 10.10.10.13 80 {

​     weight 3

​          TCP_CHECK {

​             connect_timeout 10

​             nb_get_retry 3

​             delay_before_retry 3

​             connect_port 80

​          }

​      }

}

5.4 后端WEB服务器

安装httpd，并写测试页

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yum install httpd

chkconfig httpd on

wKioL1if6hOgTnaUAAA14do87X8155.png
wKiom1if6mTCmxTeAABzu9GlOA8284.png

WEB01与WEB02同时配置

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echo "1">/proc/sys/net/ipv4/conf/default/arp_ignore

echo "2">/proc/sys/net/ipv4/conf/default/arp_announce

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

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

arp_ignore:定义对目标地址为本地IP的ARP询问不同的应答模式0

0 - (默认值): 回应任何网络接口上对任何本地IP地址的arp查询请求

1 - 只回答目标IP地址是来访网络接口本地地址的ARP查询请求

2 -只回答目标IP地址是来访网络接口本地地址的ARP查询请求,且来访IP必须在该网络接口的子网段内

3 - 不回应该网络界面的arp请求，而只对设置的唯一和连接地址做出回应

4-7 - 保留未使用

8 -不回应所有（本地地址）的arp查询

arp_announce:对网络接口上，本地IP地址的发出的，ARP回应，作出相应级别的限制: 确定不同程度的限制,宣布对来自本地源IP地址发出Arp请求的接口

0 - (默认) 在任意网络接口（eth0,eth1，lo）上的任何本地地址

1 -尽量避免不在该网络接口子网段的本地地址做出arp回应. 当发起ARP请求的源IP地址是被设置应该经由路由达到此网络接口的时候很有用.此时会检查来访IP是否为所有接口上的子网段内ip之一.如果改来访IP不属于各个网络接口上的子网段内,那么将采用级别2的方式来进行处理.

2 - 对查询目标使用最适当的本地地址.在此模式下将忽略这个IP数据包的源地址并尝试选择与能与该地址通信的本地地址.首要是选择所有的网络接口的子网中外出访问子网中包含该目标IP地址的本地地址. 如果没有合适的地址被发现,将选择当前的发送网络接口或其他的有可能接受到该ARP回应的网络接口来进行发送.

关于对arp_announce 理解的一点补充

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sysctl -p

添加VIP地址与路由

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ifconfig lo:0 10.10.10.100 broadcast 10.10.10.100 netmask 255.255.255.255 up

route add -host 10.10.10.100 dev lo:0

5.5 共享存储

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yum -y install nfs-utils rpcbind

service nfs start

chkconfig nfs on

vim /etc/exprots
wKiom1if6qiBJQh4AABDp2VqjGM206.png

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echo “This is NFS-share test page!”>/NFSshare


后端WEB挂载共享存储
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mount 10.10.10.20:/NFSshare /var/www/html/


wKioL1if6tuRnMn4AAEYNFouaD0726.png

测试访问VIP

wKiom1if6waS_9QGAAAyLVZWCU8532.png

5.6 测试

为测试方便，在后端WEB服务器上，写入对用文件

wKioL1if60fAmnhmAAA2peFH7B0192.png
wKioL1if61rCmuIxAAKtIzaYWOQ697.png

5.6.1 负载均衡测试

停止WEB02 httpd

wKioL1if67KQUYykAADS39rt5hc180.png
wKiom1if66KzbGrzAABynwQ5chI847.png

再停止WEB03 httpd

wKioL1if6-vxpC1RAAC9ZTyh8ek008.png
wKiom1if7Aeh8qXzAACoj0W5QRw404.png
wKioL1if7AmzXbdKAAFYuq_Xt44291.png

5.6.2 高可用测试

wKioL1if7FqiuKkZAAKvfwCB384054.png

停止LVS-Master 的keepalived服务

wKioL1if7Gzz7BTbAAJjS9kzdV0853.png

此时VIP已经漂移到LVS-Backup上面

wKioL1if7LzThHlPAAKIj16SSis197.png

后端web已经正常对外提供服务。

启动Master之上的Keepalived，VIP成功漂移会MASTER之上

wKiom1if7OqDuBW9AAMgGtlFCSc452.png
wKioL1if7TORLscJAACuY5-iUrM257.png

恢复邮件

wKiom1if7UehEMi2AAERxay89WA080.png

六、注意事项

6.1 LVS安装注意事项

ln -s /usr/src/kernels/2.6.32-642.1.1.el6.x86_64 /usr/src/linux #此处要根据实际操作系统最高版本的kernel 为准

./configure –with-kernel-dir=/usr/src/kernels/2.6.32-642.1.1.el6.x86_64

(注意这个步骤要看到以下字样才是正常的)

Use IPVS Framework : Yes

IPVS sync daemon support : Yes

6.2 将相关开机自启服务

开机自启服务

wKioL1if7dTAbuqLAABcL-VSYHI957.png

开机自启脚本

wKiom1if7f6gzvMtAADjQfxemwM899.png

开机NFS自动挂载

wKioL1if7lbhJAykAAGEoEz5BRU670.png

6.3 脚本

为方便配置，目前已经写了两个脚本，方便运行安装。

在Master与Backup之上配置

LVS-MB-ipvsadm.sh

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\#!/bin/bash

VIP=10.10.10.100

RIPS1=10.10.10.11

RIPS2=10.10.10.12

RIPS3=10.10.10.13

SERVICE=80

. /etc/rc.d/init.d/functions

case "$1" in

start)

echo "Start LVS of DR Mode"

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects

echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects

route add -host $VIP dev eth0

ipvsadm -C

ipvsadm -A -t $VIP:$SERVICE -s wlc -p

ipvsadm -a -t $VIP:$SERVICE -r $RIPS1:$SERVICE -g -w 1

ipvsadm -a -t $VIP:$SERVICE -r $RIPS2:$SERVICE -g -w 1

ipvsadm -a -t $VIP:$SERVICE -r $RIPS3:$SERVICE -g -w 1

ipvsadm --set 30 120 300

ipvsadm

;;

stop)

echo "Stop LVS DR"

ifconfig eth1 down

ipvsadm -C

;;

*)

echo "Usage:$0 {start ? stop}"

exit 1

esac

在后端WEB01、WEB02之上配置

LVS-RS-WEB.sh

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\#!/bin/bash

VIP=172.16.16.100

. /etc/init.d/functions

case "$1" in

start)

echo "Start LVS of RS"

/sbin/ifconfig lo:0 $VIP broadcast $VIP netmask 255.255.255.255 up

/sbin/route add -host $VIP dev lo:0

echo "1">/proc/sys/net/ipv4/conf/default/arp_ignore

echo "2">/proc/sys/net/ipv4/conf/default/arp_announce

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

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

sysctl -p

;;

stop)

/sbin/ifconfig lo:0 down

echo "Close LVS of RS"

echo "0">/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo "0">/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

echo "0">/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo "0">/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

sysctl -p

;;

*)

echo "Usage:$0{start|stop}"

exit 1

esac

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