Linux Cluster:
基于内核级实现

系统扩展的方式: Scale UP:向上扩展,增强 Scale Out:向外扩展,增强设备,调度分配问题 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;避免SPOF(single point of failure)单点失败 MTBF:平均无故障时间 MTTR:平均恢复前时间 A=MTBF/(MTBF+MTTR) (0,1):90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, 99.9999% HP:High Performance,高性能; www.top500.org 分布式系统: 分布式存储:云盘 分布式计算:hadoop,spark 系统扩展方式: Scale UP:向上扩展 Scale Out:向外扩展 Cluster

Cluster分类
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:LVS sh算法(对某一特定服务而言) Cookie (2) session replication; session cluster (3) session server memcached,redis lvs:Linux Virtual Server VS: Virtual Server RS: Real Server 作者:章文嵩;alibaba --> didi 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; 使用ipvsadm的时候,记得禁用iptables和firewalld 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 原路返回 lvs集群的类型: lvs-nat:修改请求报文的目标IP;多目标IP的DNAT; 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; lvs-dr:默认模型 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,为了防止地址冲突。 arp_announce 1:在rs上不响应vip地址的arp请求 arp_ignore 2:在rs上不向非本网络通告vip地址 (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; 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;RS直接响应给客户端(源IP是VIP,目标IP是CIP); (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; (6) 中间可以跨路由器 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 源地址 VIP --> RIP 目标地址 (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:此类型内核默认不支持; 总结: lvs-nat, lvs-fullnat:请求和响应报文都经由Director; lvs-nat:RIP的网关要指向DIP; lvs-fullnat:RIP和DIP未必在同一IP网络,但要能通信; lvs-dr, lvs-tun:请求报文要经由Director,但响应报文由RS直接发往Client; lvs-dr:通过封装新的MAC首部实现,通过MAC网络转发; lvs-tun:通过在原IP报文之外封装新的IP报文实现转发,支持远距离通信;

ipvs(2)

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;不管后端服务器的状态 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,典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡,如宽带运营商。 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=value,较小的RS将被调度。 LC:least connections Overhead=activeconns*256+inactiveconns active:三次握手连接已经建立,且在传输数据 inactive:三次握手连接已经建立,但没在传输数据 WLC:Weighted LC 系统默认调度方法 Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight SED:Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先 Overhead=(activeconns+1)*256/weight NQ:Never Queue,第一轮均匀分配,后续SED LBLC:Locality-Based LC,动态的DH算法,使用场景:根据负载状态实现正向代理 LBLCR:LBLC with Replication,带复制功能的LBLC,解决LBLC均衡负载不均衡的问题 ipvsadm/ipvs: ipvs: grep -i -C 10 "ipvs" /boot/config-VERSION-RELEASE.x86_64 查看内核支持的模块 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: 程序包:ipvsadm yum install ipvsadm Unit File: ipvsadm.service 主程序:/usr/sbin/ipvsadm 规则保存工具:/usr/sbin/ipvsadm-save 规则重载工具:/usr/sbin/ipvsadm-restore 配置文件:/etc/sysconfig/ipvsadm-config ipvsadm命令: 核心功能: 集群服务管理:增、删、改; 集群服务的RS管理:增、删、改; 查看: 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 删除 ipvsadm -C 清空 ipvsadm -R 重载 ipvsadm -S [-n] 保存 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,防火墙标签,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,默认模型 -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 负载均衡集群设计时要注意的问题: (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; (3) Director要打开核心转发功能; ipvsadm/ipvs ipvs:内核中的INPUT链上; ipvsadm:用户空间的命令行工具; 服务管理:-A,-E,-D 集群服务的RS管理:-a, -e, -d 查看:-L|l -n, --exact, -c, --stats, --rate 清理:-C 保存:-S = ipvsadm-save 重载:-R = ipvsadm-restore

ipvs(3)

Demo: 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; 1.做dr实验的时候,再rs上记得先禁止VIP地址广播,在配置VIP地址,如果先配地址的话,网络中的主机、路由器就会得到其mac地址,之后再禁止VIP地址广播也无效了 2.lvs必须配置网关,不然lvs会默认不再向外转发数据包。 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 netfilter: target: MARK, This target is used to set the Netfilter mark value associated with the packet. --set-mark value 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:实现无论使用任何调度算法,在一段时间内,能够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:每个端口对应定义为一个集群服务,每集群服务单独调度; 每防火墙标记持久:基于防火墙标记定义集群服务;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,必须定义为持久模式; 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 重载: ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE systemctl restart ipvsadm.service 考虑: (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; ok --> failure failure --> ok