1. 简介
1.1 LVS简介
LVS（Linux Virtual Server），也就是Linux虚拟服务器, 是一个由章文嵩博士发起的自由软件项目。使用LVS技术要达到的目标是：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器群集，它具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的服务性能。
LVS主要用来做四层负载均衡。
1.2 Keepalived简介
Keepalived是分布式部署系统解决系统高可用的软件，结合LVS（Linux Virtual Server）使用，其功能类似于heartbeat，解决单机宕机的问题。
Keepalived是以VRRP协议为实现基础的，VRRP全称Virtual Router Redundancy Protocol，即虚拟路由冗余协议。通过VRRP协议结合LVS，对组群服务器监控情况，若master出现宕机情况，则将VIP漂移到backup机上。实现了分布式系统高可用。可以理解为：keepalived是LVS的管理软件，根据监控情况，将宕机服务器从ipvsadm移除掉。
Keepalived的诞生最初是为LVS ipvs（director）提供高可用性的，后来发展一个多功能、通用的轻量级高可用组件，可以为ipvs、nginx、haproxy等诸多服务提供高可用功能，主要应用在负载均衡调度器上，同时也可以检查后端各realserver的健康状态。
1.3 Nginx简介
Nginx（发音同engine x）是一个网页服务器，它能反向代理HTTP, HTTPS, SMTP, POP3, IMAP的协议链接，以及一个负载均衡器和一个HTTP缓存。
Nginx主要用来做七层负载均衡。
1.4 负载均衡
四层负载均衡工作在OSI模型的传输层，由于在传输层，只有TCP/UDP协议，这两种协议中除了包含源IP、目标IP以外，还包含源端口号及目的端口号。四层负载均衡服务器在接受到客户端请求后，以后通过修改数据包的地址信息（IP+端口号）将流量转发到应用服务器。
七层负载均衡工作在OSI模型的应用层，应用层协议较多，常用http、radius、dns等。七层负载就可以基于这些协议来负载。这些应用层协议中会包含很多有意义的内容。比如同一个Web服务器的负载均衡，除了根据IP加端口进行负载外，还可根据七层的URL、浏览器类别、语言来决定是否要进行负载均衡。
四层通过虚拟 IP + 端口接收请求，然后再分配到真实的服务器，七层通过虚拟的 URL 或主机名接收请求，然后再分配到真实的服务器。所谓的四到七层负载均衡，就是在对后台的服务器进行负载均衡时，依据四层的信息或七层的信息来决定怎么样转发流量。
1.5 LVS和Nginx区别
1.lvs工作在第4层，负载能力强，逻辑简单，能对几乎所有应用进行负载，包括web和数据库；nginx工作在第7层，适用场合远多于lvs，负载能力相对较差。
2.lvs对网络稳定性依赖比较大；Nginx对网络的依赖比较小，理论上只要Ping得通，网页访问正常就能连通。
3.Nginx可以通过服务器处理网页返回的状态码、超时等来检测服务器内部的故障，并会把返回错误的请求重新发送到另一个节点；目前LVS和LDirectd 也支持对服务器内部情况的监控，但不能重新发送请求。
4.Nginx安装和配置比较简单，测试起来比较方便，它基本能把错误用日志打印出来；LVS的配置、测试耗时较长。
5.每日PV1000万以下或并发请求1万以下都可以考虑用Nginx；构建大型网站或者提供重要服务且机器较多时，可多加考虑利用LVS。
2. 搭建过程及测试
2.1 架构图
2.2 主机配置
| 主机名 |
ip |
操作系统 |
软件 |
端口 |
| lvs01 | 192.168.111.45 | CentOS 7.3.1611 | lvs keepalived | 81 |
| lvs02 | 192.168.111.46 | CentOS 7.3.1611 | lvs keepalived | 81 |
2.3 搭建准备
2.3.1 关闭防火墙
关闭4台服务器防火墙
[root@lvs01 ~]# firewall-cmd --state running [root@lvs01 ~]# systemctl stop firewalld.service [root@lvs01 ~]# firewall-cmd --state not running [root@lvs01 ~]# systemctl disable firewalld.service
2.3.2 关闭防selinux
setenforce 0
2.4 ipvs安装
LVS无需安装，安装的是管理工具，第一种叫ipvsadm，第二种叫keepalive。ipvsadm是通过命令行管理，而keepalive读取配置文件管理。
分别在lvs01和lvs02执行如下操作:
[root@lvs01 ~]# yum -y install ipvsadm
把ipvsadm模块加载进系统
[root@lvs01 ~]# ipvsadm IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn [root@lvs01 ~]# lsmod | grep ip_vs ip_vs 141092 0 nf_conntrack 111302 1 ip_vs libcrc32c 12644 2 xfs,ip_vs
2.5 keepalived安装
分别在lvs01和lvs02执行如下操作：
[root@lvs01 ~]# yum -y install keepalived
2.6 keepalived配置
lvs01配置如下：
[root@lvs01 ~]# more /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalived
global_defs {
router_id lvs01 #router_id 机器标识，通常为hostname，但不一定非得是hostname。故障发生时，邮件通知会用到。
}
vrrp_instance VI_1 { #vrrp实例定义部分
state MASTER #设置lvs的状态，MASTER和BACKUP两种，必须大写
interface ens33 #设置对外服务的接口
virtual_router_id 100 #设置虚拟路由标示，这个标示是一个数字，同一个vrrp实例使用唯一标示
priority 100 #定义优先级，数字越大优先级越高，在一个vrrp——instance下，master的优先级必须大于backup
advert_int 1 #设定master与backup负载均衡器之间同步检查的时间间隔，单位是秒
authentication { #设置验证类型和密码
auth_type PASS #主要有PASS和AH两种
auth_pass 1111 #验证密码，同一个vrrp_instance下MASTER和BACKUP密码必须相同
}
virtual_ipaddress { #设置虚拟ip地址，可以设置多个，每行一个
192.168.111.44
}
}
virtual_server 192.168.111.44 80 { #设置虚拟服务器，需要指定虚拟ip和服务端口
delay_loop 6 #健康检查时间间隔
lb_algo wrr #负载均衡调度算法
lb_kind DR #负载均衡转发规则
persistence_timeout 50 #设置会话保持时间，对动态网页非常有用
protocol TCP #指定转发协议类型，有TCP和UDP两种
real_server 192.168.111.45 80 { #配置服务器节点1，需要指定real server的真实IP地址和端口
weight 1 #设置权重，数字越大权重越高
TCP_CHECK { #realserver的状态监测设置部分单位秒
connect_timeout 10 #连接超时为10秒
retry 3 #重连次数
delay_before_retry 3 #重试间隔
connect_port 80 #连接端口为81，要和上面的保持一致
}
}
real_server 192.168.111.46 80 { #配置服务器节点1，需要指定real server的真实IP地址和端口
weight 1 #设置权重，数字越大权重越高
TCP_CHECK { #realserver的状态监测设置部分单位秒
connect_timeout 10 #连接超时为10秒
retry 3 #重连次数
delay_before_retry 3 #重试间隔
connect_port 80 #连接端口为81，要和上面的保持一致
}
}
}
lvs02配置如下：
[root@lvs02 ~]# more /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalived
global_defs {
router_id lvs02 #router_id 机器标识，通常为hostname，但不一定非得是hostname。故障发生时，邮件通知会用到。
}
vrrp_instance VI_1 { #vrrp实例定义部分
state BACKUP #设置lvs的状态，MASTER和BACKUP两种，必须大写
interface ens33 #设置对外服务的接口
virtual_router_id 100 #设置虚拟路由标示，这个标示是一个数字，同一个vrrp实例使用唯一标示
priority 99 #定义优先级，数字越大优先级越高，在一个vrrp——instance下，master的优先级必须大于backup
advert_int 1 #设定master与backup负载均衡器之间同步检查的时间间隔，单位是秒
authentication { #设置验证类型和密码
auth_type PASS #主要有PASS和AH两种
auth_pass 1111 #验证密码，同一个vrrp_instance下MASTER和BACKUP密码必须相同
}
virtual_ipaddress { #设置虚拟ip地址，可以设置多个，每行一个
192.168.111.44
}
}
virtual_server 192.168.111.44 80 { #设置虚拟服务器，需要指定虚拟ip和服务端口
delay_loop 6 #健康检查时间间隔
lb_algo wrr #负载均衡调度算法
lb_kind DR #负载均衡转发规则
persistence_timeout 50 #设置会话保持时间，对动态网页非常有用
protocol TCP #指定转发协议类型，有TCP和UDP两种
real_server 192.168.111.45 80 { #配置服务器节点1，需要指定real server的真实IP地址和端口
weight 1 #设置权重，数字越大权重越高
TCP_CHECK { #realserver的状态监测设置部分单位秒
connect_timeout 10 #连接超时为10秒
retry 3 #重连次数
delay_before_retry 3 #重试间隔
connect_port 80 #连接端口为81，要和上面的保持一致
}
}
real_server 192.168.111.46 80 { #配置服务器节点1，需要指定real server的真实IP地址和端口
weight 1 #设置权重，数字越大权重越高
TCP_CHECK { #realserver的状态监测设置部分单位秒
connect_timeout 10 #连接超时为10秒
retry 3 #重连次数
delay_before_retry 3 #重试间隔
connect_port 80 #连接端口为81，要和上面的保持一致
}
}
}
2.7 参数说明
IPVS三种IP负载均衡技术：
VS/NAT： 即（Virtual Server via Network Address Translation）
也就是网络地址翻译技术实现虚拟服务器，当用户请求到达调度器时，调度器将请求报文的目标地址（即虚拟IP地址）改写成选定的Real Server地址，同时报文的目标端口也改成选定的Real Server的相应端口，最后将报文请求发送到选定的Real Server。在服务器端得到数据后，Real Server返回数据给用户时，需要再次经过负载调度器将报文的源地址和源端口改成虚拟IP地址和相应端口，然后把数据发送给用户，完成整个负载调度过程。
可以看出，在NAT方式下，用户请求和响应报文都必须经过Director Server地址重写，当用户请求越来越多时，调度器的处理能力将称为瓶颈。
VS/TUN：即（Virtual Server via IP Tunneling）
也就是IP隧道技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT方式一样，只是它的报文转发方法不同，VS/TUN方式中，调度器采用IP隧道技术将用户请求转发到某个Real Server，而这个Real Server将直接响应用户的请求，不再经过前端调度器，此外，对Real Server的地域位置没有要求，可以和Director Server位于同一个网段，也可以是独立的一个网络。因此，在TUN方式中，调度器将只处理用户的报文请求，集群系统的吞吐量大大提高。
VS/DR： 即（Virtual Server via Direct Routing）
也就是用直接路由技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT和VS/TUN中的一样，但它的报文转发方法又有不同，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，且真实服务器网络设备或设备别名不作 ARP 响应。
IPVS调度器实现了如下八种负载调度算法：
轮叫（Round Robin）
调度器通过"轮叫"调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载。
加权轮叫（Weighted Round Robin）
调度器通过"加权轮叫"调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
最少链接（Least Connections）
调度器通过"最少连接"调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用"最小连接"调度算法可以较好地均衡负载。
加权最少链接（Weighted Least Connections）
在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用"加权最少链接"调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）
"基于局部性的最少链接" 调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器 是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用"最少链接"的原则选出一个可用的服务 器，将请求发送到该服务器。
带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication）
"带复制的基于局部性最少链接"调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个 目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务 器组，按"最小连接"原则从服务器组中选出一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器，若服务器超载；则按"最小连接"原则从这个集群中选出一 台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器。同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的 程度。
目标地址散列（Destination Hashing）
"目标地址散列"调度算法根据请求的目标IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
源地址散列（Source Hashing）
"源地址散列"调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
本例中采用DR负载均衡和wrr负载调度算法
2.8 nginx搭建
此处不做赘述
2.9 realserver.sh配置
打开Nginx所在服务器的“路由”功能、关闭“ARP查询”功能并设置回环ip，nginx01和nginx02配置如下：
[root@nginx01 init.d]# more /etc/rc.d/init.d/realserver.sh
#!/bin/bash
SNS_VIP=172.27.9.100
/etc/rc.d/init.d/functions
case "$1" in
start)
ifconfig lo:0 $SNS_VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $SNS_VIP
/sbin/route add -host $SNS_VIP dev lo:0
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
sysctl -p >/dev/null 2>&1
echo "RealServer Start OK"
;;
stop)
ifconfig lo:0 down
route del $SNS_VIP >/dev/null 2>&1
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
echo "RealServer Stoped"
;;
*)
echo "Usage: $0 {start|stop}"
exit 1
esac
exit 0
此脚本用于节点服务器绑定 VIP ，并抑制响应 VIP 的 ARP 请求。这样做的目的是为了不让关于 VIP 的 ARP 广播时，节点服务器应答（ 因为节点服务器都绑定了 VIP ，如果不做设置它们会应答，就会乱套 ）。
给realserver.sh脚本授予执行权限：
[root@nginx01 init.d]# chmod u+x realserver.sh
3. 负载均衡及高可用测试
3.1 启动Keepalived
lvs01和lvs02分别执行：
[root@lvs01 ~]# service keepalived start
查看ip，lvs01上有vip192.168.111.44，lvs02没有：
3.2 启动nginx
如果nginx未运行则在nginx01和nginx02执行：
service nginx start
3.3 运行realserver.sh脚本
在nginx01和nginx02执行realserver.sh脚本：
[root@nginx01 ~]# /etc/rc.d/init.d/realserver.sh start