基于linux的高可用負(fù)載均衡集群系統(tǒng)的應(yīng)用

李偉，盧捷，馬軍

(1.河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院，河北唐山 063009;2.唐山市交通運(yùn)輸局公路工程處，河北唐山 063009;3.河北聯(lián)合大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，河北唐山 063009)

隨著Internet技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器面對的訪問數(shù)量快速增加。服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布的中心，擔(dān)負(fù)著流量控制、用戶管理及內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接等繁雜的任務(wù)，它的性能最為關(guān)鍵。如何提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)的高性能、高可靠性、負(fù)載均衡能力和良好擴(kuò)展能力成為技術(shù)研究的重要方向?；贚inux的高可用集群技術(shù)提供了可行性參考依據(jù)和解決方案。

1 集群簡介

集群(cluster)是由一組相互獨(dú)立的、通過高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的計(jì)算機(jī)組成的一種并行或分布式的處理系統(tǒng)，這些單個(gè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為集群的節(jié)點(diǎn)，它以單一系統(tǒng)的模式來管理，為用戶提供高性能、高可靠性的服務(wù)。集群技術(shù)是一種通用的技術(shù)，其目的是為了解決單機(jī)運(yùn)算能力的不足、I/O能力的不足，提高服務(wù)的可靠性、獲得規(guī)?？蓴U(kuò)展能力，降低整體方案的運(yùn)行和維護(hù)成本。和傳統(tǒng)的高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)相比，集群技術(shù)可以利用各檔次的服務(wù)器作為節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)造價(jià)低，可以實(shí)現(xiàn)很高的運(yùn)算速度，完成大運(yùn)算量的計(jì)算，具有較高的響應(yīng)能力，以滿足當(dāng)今日益增長的信息服務(wù)的需求。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡集群系統(tǒng)構(gòu)建于實(shí)際的服務(wù)器之上，用戶看不到提供服務(wù)的實(shí)際服務(wù)器，而只能看見一臺在集群中被稱為負(fù)載均衡服務(wù)器的計(jì)算機(jī)，實(shí)際的服務(wù)器通過高速局域網(wǎng)或地理上分散的廣域網(wǎng)連接，實(shí)際服務(wù)器的前端是負(fù)載均衡服務(wù)器，它將用戶的請求調(diào)度到實(shí)際服務(wù)器進(jìn)行處理。

2 LVS概述

LVS是Linux Virtual Server的簡稱，也就是Linux虛擬服務(wù)器，通過LVS提供的負(fù)載均衡技術(shù)和Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能、高可用的服務(wù)器群集，它具有良好可靠性、可擴(kuò)展性和可操作性。從而以低廉的成本實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的服務(wù)性能。

2.1 LVS的體系結(jié)構(gòu)

LVS集群模型的體系結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次，最前端的負(fù)載均衡層，用Load Balancer表示，中間的服務(wù)器群組層，用Server Array表示，最底端的數(shù)據(jù)共享存儲層，用Shared Storage表示。

Load Balancer層:位于整個(gè)集群系統(tǒng)的最前端，有一臺或者多臺負(fù)載調(diào)度器(Director Server)組成，LVS模塊就安裝在Director Server上，而Director的主要作用類似于一個(gè)路由器，它含有完成LVS功能所設(shè)定的路由表，通過這些路由表把用戶的請求分發(fā)給Server Array層的應(yīng)用服務(wù)器(Real Server)上。同時(shí)，在Director Server上還要安裝對Real Server服務(wù)的監(jiān)控模塊Ldirectord，此模塊用于監(jiān)測各個(gè)Real Server服務(wù)的健康狀況。在Real Server不可用時(shí)把它從LVS路由表中剔除，恢復(fù)時(shí)重新加入。

Server Array層:由一組實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用服務(wù)的機(jī)器組成，Real Server可以是WEB服務(wù)器、MAIL服務(wù)器、FTP服務(wù)器、DNS服務(wù)器、視頻服務(wù)器中的一個(gè)或者多個(gè)，每個(gè)Real Server之間通過高速的LAN或分布在各地的WAN相連接。在實(shí)際的應(yīng)用中，Director Server也可以同時(shí)兼任Real Server的角色。

Shared Storage層:是為所有Real Server提供共享存儲空間和內(nèi)容一致性的存儲區(qū)域，在物理上，一般有磁盤陣列設(shè)備組成，為了提供內(nèi)容的一致性，一般可以通過NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，但是NFS在繁忙的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，性能并不是很好，此時(shí)可以采用集群文件系統(tǒng)，例如Red hat的GFS文件系統(tǒng)，oracle提供的OCFS2文件系統(tǒng)等

2.2 負(fù)載均衡技術(shù)

LVS的IP負(fù)載均衡技術(shù)是通過IPVS模塊來實(shí)現(xiàn)的，IPVS是LVS集群系統(tǒng)的核心軟件，它的主要作用是:安裝在Director Server上，同時(shí)在Director Server上虛擬出一個(gè)IP地址，用戶必須通過這個(gè)虛擬的IP地址訪問服務(wù)。這個(gè)虛擬IP一般稱為LVS的VIP，即Virtual IP。訪問的請求首先經(jīng)過VIP到達(dá)負(fù)載調(diào)度器，然后由負(fù)載調(diào)度器從Real Server列表中選取一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)用戶的請求，當(dāng)用戶的請求到達(dá)負(fù)載調(diào)度器后，調(diào)度器如何將請求發(fā)送到提供服務(wù)的Real Server節(jié)點(diǎn)，而Real Server節(jié)點(diǎn)如何返回?cái)?shù)據(jù)給用戶，是IPVS實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)技術(shù)，IPVS實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡機(jī)制有三種，分別是NAT、TUN和DR。

2.2.1 VS/NAT: 即(Virtual Server via Network Address Translation)

也就是網(wǎng)絡(luò)地址翻譯技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器，當(dāng)用戶請求到達(dá)調(diào)度器時(shí)，調(diào)度器將請求報(bào)文的目標(biāo)地址(即虛擬IP地址)改寫成選定的Real Server地址，同時(shí)報(bào)文的目標(biāo)端口也改成選定的Real Server的相應(yīng)端口，最后將報(bào)文請求發(fā)送到選定的Real Server。在服務(wù)器端得到數(shù)據(jù)后，Real Server返回?cái)?shù)據(jù)給用戶時(shí)，需要再次經(jīng)過負(fù)載調(diào)度器將報(bào)文的源地址和源端口改成虛擬IP地址和相應(yīng)端口，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，完成整個(gè)負(fù)載調(diào)度過程。

2.2.2 VS/TUN:即(Virtual Server via IP Tunneling)

也就是IP隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器。它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT方式一樣，只是它的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方法不同，VS/TUN方式中，調(diào)度器采用IP隧道技術(shù)將用戶請求轉(zhuǎn)發(fā)到某個(gè)Real Server，而這個(gè)Real Server將直接響應(yīng)用戶的請求，不再經(jīng)過前端調(diào)度器，此外，對Real Server的地域位置沒有要求，可以和Director Server位于同一個(gè)網(wǎng)段，也可以是獨(dú)立的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此，在TUN方式中，調(diào)度器將只處理用戶的報(bào)文請求，集群系統(tǒng)的吞吐量大大提高。

2.2.3 VS/DR: 即(Virtual Server via Direct Routing)

也就是用直接路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器。它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT和VS/TUN中的一樣，但它的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方法又有不同，VS/DR通過改寫請求報(bào)文的MAC地址，將請求發(fā)送到Real Server，而Real Server將響應(yīng)直接返回給客戶，免去了VS/TUN中的IP隧道開銷。這種方式是三種負(fù)載調(diào)度機(jī)制中性能最高最好的，但是必須要求Director Server與Real Server都有一塊網(wǎng)卡連在同一物理網(wǎng)段上。

3 LVS高可用負(fù)載均衡集群系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用LVS集群技術(shù)，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩臺負(fù)載均衡服務(wù)器互為備份，安裝RealServer的集群系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)機(jī)與集群系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)通過高速網(wǎng)絡(luò)連接，保證充分的網(wǎng)絡(luò)帶寬，系統(tǒng)負(fù)載均衡調(diào)度采用直接路由VS/DR模式。

圖1 高可用負(fù)載均衡集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 集群系統(tǒng)配置

大部分配置工作集中在負(fù)載平衡服務(wù)器上，實(shí)際服務(wù)器只需作簡單配置。大致步驟如下:

4 結(jié)束語

本文分析了linux虛擬服務(wù)器集群技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)、負(fù)載均衡技術(shù)以及負(fù)載調(diào)度算法，設(shè)計(jì)了基于LVS和Keepalived高可用負(fù)載均衡集群系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了其體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用配置實(shí)例，提高軟、硬件資源利用率，為集群系統(tǒng)的構(gòu)建提供了較好的理論和實(shí)踐參考依據(jù)。

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