一、LVS 概述

LVS是Linux Virtual Server的缩写，是一种基于Linux内核实现的高可用性、高性能的负载均衡技术。它可以将来自客户端的请求分发到多台服务器上，实现多台服务器的负载均衡，提高整个系统的性能和可用性。

LVS技术主要包括以下几个组件：

1. LVS调度器：负责接收客户端请求并将其分发到后端的真实服务器上，根据不同的负载均衡算法进行分发。
2. 真实服务器：处理来自调度器的请求并返回响应，提供实际的服务。
3. Keepalived：LVS的高可用组件，用于监控LVS调度器的状态并在发生故障时自动切换到备用调度器，以保证服务的高可用性。
4. IPVS：内核中实现LVS技术的模块，实现负载均衡算法和请求分发等功能。

LVS技术广泛应用于互联网服务、网络游戏、数据中心等领域，能够提高系统的性能和可用性，降低系统的维护成本。

二、LVS 基本操作

1）基本命令操作

1、添加规则

ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p timeout] [-M netmast] [--pepersistence_engine] [-b sched-flags] 

2、删除规则

ipvsadm -D -t|u|f service-address

3、清空定义的所有内容

ipvsadm -C

4、重载

ipvsadm -R

6、保存

ipvsadm -S [-n]

7、增、改RS规则

ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]

8、删除RS规则

ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address

9、查看规则列表

ipvsadm -Ln|l [options]
　--numeric, -n: 以数字形式输出地址和端口号
　--exact: 扩展信息，精确值
　--stats: 统计信息
　--rate: 输出速率信息

10、清空计数器

ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]

11、ipvs规则

/proc/net/ip_vs

12、ipvs连接

/proc/net/ip_vs_conn

2）保存及重载规则

1、保存

建议保存至 /etc/sysconfig/ipvsadm

ipvsadm-save -n > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
ipvsadm -Sn > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
systemctl stop ipvsadm.service

2、重载

ipvsadm-restore < /PATH/TO/IPVSADM_FILE
ipvsadm -R < /PATH/TO/IPVSADM_FILE
systemctl restart ipvsadm.service

三、LVS 四种模式实战操作讲解

1）NAT 模式

1、设计要点

• RIP与DIP在同一IP网络，RIP的网关要指向DIP
• 支持端口映射
• Director要打开核心转发功能

2、配置

1、管理集群服务：增，改，删

• 增、改

ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p timeout]

• 删除：

ipvsadm -D -t|u|f service-address

• service-address:

-t|u|f:
-t：TCP协议的端口，VIP：TCP_PORT
-u：UDP协议的端口，VIP：UDP_PORT
-f：firewall MARK，标记，一个数字
[-s scheduler]：指定集群的调度算法：默认为wlc

2、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]
• server-address:
  rip[:port] 如省略port，不作端口映射
• 选项：lvs类型：

-g：gateway, dr类型，默认
-i：ipip, tun类型
-m：masquerade，nat类型
-w weight：权重

3、ipvs scheduler

• ipvs scheduler：根据其调度是否考虑各RS当前的负载状态
  两种：静态方法和动态方法
• 静态方法：仅根据算法本身进行调度

1、RR: roundrobin, 轮训
2、WRR: Weighted RR, 加权轮训
3、SH: Source Hashing, 实现session sticky, 源IP地址hash; 将来自同一个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
4、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：带宽运营商

4、实验：实现NAT模式的LVS（必须原路返回）

ip_forward=1
route add default gw 192.168.0.201
# -t:tcp, -s wrr:加权 轮训
ipvsadm -A -t 172.20.0.200:80 -s wrr

# -m: NAT模式；默认：DR模式，不支持映射到不同端口；-w：权重,默认是1
ipvsadm -a -t 172.20.0.200:80 -r 192.168.30.17:8080 -m -w 3
ipvsadm -a -t 172.20.0.200:80 -r 192.168.30.27:8080 -m

2.router：路由器配置
ip_forward=1
route add default gw 192.168.0.200

2）DR 模式

1、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

2、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在任意地址响应
• 1：仅在请求目标IP配置在本地主机的接收到请求报文的接口上时，才给予响应

3、限制通告级别：arp_announce

• 0：默认值，把本机所有接口的所有信息向每个接口的网络进行通知
• 1：尽量避免将接口信息向非直接连接网络进行通知
• 2：必须避免将接口信息向非网络进行通告

4、实验：实现DR模式的LVS（不原路返回）

• 步骤一：准备3台虚拟机
• 步骤二：先配置3台虚拟机的网络

eth0 配置在一个网段
DIP,RIP配置在一个网段

• 步骤三：配置lvs的VIP

ifconfig ens33:0 192.168.182.100/24
echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

• 步骤四（RS）：调整RS的响应，通告级别（每一台RS都配）

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens33/arp_ignore
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens33/arp_announce
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

• 步骤五：在RS上配置VIP

ifconfig lo:8 192.168.182.100 netmask 255.255.255.255

• 步骤六：启动RS上的httpd服务

yum install httpd -y
cd /var/www/html
vi index.html

service httpd start
客户端验证：RIP:80能显示
VIP:80不能显示

• 步骤七：安装 LVS---ipvsadm

yum install ipvsadm -y
# -t:tcp, -s rr:轮训
ipvsadm -A -t 192.168.182.100:80 -s rr
# -m: NAT模式；默认：DR模式，不支持映射到不同端口；-w：权重,默认是1；-g：DR模型，-m：NET模型
ipvsadm -a -t 192.168.182.128:80 -r 192.168.182.129 -g
ipvsadm -a -t 192.168.182.128:80 -r 192.168.182.130 -g

ipvsadm -ln
# 浏览器刷新：访问vip
ipvsadm -lnc
netstat -natp

3）TUN模式

4）FULL-NAT模式

四、Keepalived + LVS 实战操作

Keepalived 是一个用于 Linux 平台的高可用性软件。它实现了虚拟路由器冗余协议 (VRRP) 和健康检查功能，可以用于确保在多台服务器之间提供服务的高可用性。Keepalived 可以检测服务器的故障，并在主服务器宕机时，自动将备份服务器提升为主服务器，确保服务的持续性和可用性。

Keepalived 可以在主备服务器之间动态分配虚拟 IP 地址，使客户端能够在主备服务器之间无缝切换，提高服务的可用性。此外，Keepalived 还支持基于文本文件的配置和基于 SNMP 的监控。它可以与常用的负载均衡器配合使用，如 HAProxy、Nginx 等。

总的来说，Keepalived 是一个功能强大的工具，可用于提供高可用性服务。它是一个免费的开源软件，广泛应用于企业和个人服务器环境中。

架构图如下：

1） keepalived 安装以及基本操作

# 安装
yum install keepalived -y
# 启动
service keepalived start
# 配置文件位置
/etc/keepalived/keepalived.conf
# 查看日志
tail -f /var/log/message

2）具体配置步骤

• 【步骤一】至少准备四台虚拟机
• 【步骤二】调整RS的响应，通告级别（每一台RS都配）

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens33/arp_ignore
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/ens33/arp_announce
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

• 步骤三：在RS上配置VIP，切记(DR模式)不要忘了在RS配置VIP,要不然数据包会被丢弃

ifconfig lo:8 192.168.182.100 netmask 255.255.255.255

• 步骤四：在RS安装启动httpd服务

yum install httpd -y
cd /var/www/html
echo "from ooxxip" > index.html
service httpd start

• 步骤五：给两台keepalived机子安装keepalived（一主一备）

yum -y install keepalived
yum -y install ipvsadm

• 步骤六：配置keepalived配置文件

主节点配置：

# /etc/keepalived/keepalived.conf

! Configuration File for keepalived

    global_defs {
       notification_email {
         acassen@firewall.loc
         failover@firewall.loc
         sysadmin@firewall.loc
       }
       notification_email_from Alexandre.Cassen@firewall.loc
       smtp_server 192.168.200.1
       smtp_connect_timeout 30
       router_id LVS_DEVEL
       vrrp_skip_check_adv_addr
       # vrrp_strict 如果还是访问不了VIP，可以把这行注释掉
       vrrp_garp_interval 0
       vrrp_gna_interval 0
    }

    vrrp_instance VI_1 {
        # 主
        state MASTER
        # 备
        # state BACKUP
        interface ens33
        virtual_router_id 51
        # 主
        priority 100
        # 备
        # priority 50
        advert_int 1
        authentication {
            auth_type PASS
            auth_pass 1111
        }
        virtual_ipaddress {
            192.168.182.100/32 dev ens33 label ens33:7
        }
    }

    virtual_server 192.168.182.100 80 {
        delay_loop 6
        lb_algo rr
        lb_kind DR　　　　　nat_mask 255.255.255.0
        persistence_timeout 0
        protocol TCP

        real_server 192.168.182.130 80 {
            weight 1
            HTTP_GET {
                url {
                  path /
                  status_code 200
                }
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
            }
        }
        real_server 192.168.182.131 80 {
            weight 1
            HTTP_GET {
                url {
                  path /
                  status_code 200
                }
                connect_timeout 3
                nb_get_retry 3
                delay_before_retry 3
            }
        }
    }

从节点配置：

# 复制一份修改好的配置到从主机，修改 1、state BACKUP，2、priority 50

cd /etc/keepalived/ && scp ./keepalived.conf root@192.168.182.129:`pwd`


# 启动

/bin/systemctl start keepalived.service

# RS切记关闭防火墙，如果web也访问不了，lvs也可以关闭防火墙试试

systemctl stop firewalld

# 查看是否配置了VIP

#查看是否配置了规则

 
# 主未挂，备则会自动配置规则,但是不会配置VIP，保证只有一个VIP对外提供服务

 
# 一旦主挂了，则备接管（测试，down掉主网卡：ifconfig ens33 down）

缺点：脑裂问题

【分析原因】：keepalived自身不是高可用，主进程可能会被杀死，但是进程杀死后，没有回收VIP，导致主keepalived无法广播，备keepalived得不到主的广播信号，导致备也会配上VIP，使得主备都有VIP，最后CIP访问VIP的三次握手可能会被打散到主备keepalived上，无法建立连接，导致无法访问。

【解决方案】：

1. 写一个自动脚本，定时巡检主keepalived进程是否还存活，如果被杀死，则重启主keepalived服务
2. 换用更高级的高可用技术（zookeeper），后续会有zookeeper相应的文章

最后附上keepalived配置文件说明：

! Configuration File for keepalived
global_defs {                                     #全局定义部分
    notification_email {                          #设置报警邮件地址，可设置多个
        acassen@firewall.loc                      #接收通知的邮件地址
    }                        
    notification_email_from test0@163.com         #设置 发送邮件通知的地址
    smtp_server smtp.163.com                      #设置 smtp server 地址，可是ip或域名.可选端口号 （默认25）
    smtp_connect_timeout 30                       #设置 连接 smtp server的超时时间
    router_id LVS_DEVEL                           #主机标识，用于邮件通知
    vrrp_skip_check_adv_addr                   
    vrrp_strict                                   #严格执行VRRP协议规范，此模式不支持节点单播
    vrrp_garp_interval 0                       
    vrrp_gna_interval 0     
    script_user keepalived_script                 #指定运行脚本的用户名和组。默认使用用户的默认组。如未指定，默认为keepalived_script 用户，如无此用户，则使用root
    enable_script_security                        #如过路径为非root可写，不要配置脚本为root用户执行。
}       

vrrp_script chk_nginx_service {                   #VRRP 脚本声明
    script "/etc/keepalived/chk_nginx.sh"         #周期性执行的脚本
    interval 3                                    #运行脚本的间隔时间，秒
    weight -20                                    #权重，priority值减去此值要小于备服务的priority值
    fall 3                                        #检测几次失败才为失败，整数
    rise 2                                        #检测几次状态为正常的，才确认正常，整数
    user keepalived_script                        #执行脚本的用户或组
}                                             

vrrp_instance VI_1 {                              #vrrp 实例部分定义，VI_1自定义名称
    state MASTER                                  #指定 keepalived 的角色，必须大写 可选值：MASTER|BACKUP
    interface ens33                               #网卡设置，lvs需要绑定在网卡上，realserver绑定在回环口。区别：lvs对访问为外，realserver为内不易暴露本机信息
    virtual_router_id 51                          #虚拟路由标识，是一个数字，同一个vrrp 实例使用唯一的标识，MASTER和BACKUP 的 同一个 vrrp_instance 下 这个标识必须保持一致
    priority 100                                  #定义优先级，数字越大，优先级越高。
    advert_int 1                                  #设定 MASTER 与 BACKUP 负载均衡之间同步检查的时间间隔，单位为秒，两个节点设置必须一样
    authentication {                              #设置验证类型和密码，两个节点必须一致
        auth_type PASS                        
        auth_pass 1111                        
    }                                         
    virtual_ipaddress {                           #设置虚拟IP地址，可以设置多个虚拟IP地址，每行一个
        192.168.119.130                       
    }
    track_script {                                #脚本监控状态
        chk_nginx_service                         #可加权重，但会覆盖声明的脚本权重值。chk_nginx_service weight -20
    }
        notify_master "/etc/keepalived/start_haproxy.sh start"  #当前节点成为master时，通知脚本执行任务
        notify_backup "/etc/keepalived/start_haproxy.sh stop"   #当前节点成为backup时，通知脚本执行任务
        notify_fault  "/etc/keepalived/start_haproxy.sh stop"   #当当前节点出现故障，执行的任务; 
}                                             

virtual_server 192.168.119.130 80  {          #定义RealServer对应的VIP及服务端口，IP和端口之间用空格隔开
    delay_loop 6                              #每隔6秒查询realserver状态
    lb_algo rr                                #后端调试算法（load balancing algorithm）
    lb_kind DR                                #LVS调度类型NAT/DR/TUN
    #persistence_timeout 60                   同一IP的连接60秒内被分配到同一台realserver
    protocol TCP                              #用TCP协议检查realserver状态
    real_server 192.168.119.120 80 {          
        weight 1                              #权重，最大越高，lvs就越优先访问
        TCP_CHECK {                           #keepalived的健康检查方式HTTP_GET | SSL_GET | TCP_CHECK | SMTP_CHECK | MISC
            connect_timeout 10                #10秒无响应超时
            retry 3                           #重连次数3次
            delay_before_retry 3              #重连间隔时间
            connect_port 80                   #健康检查realserver的端口
        }                                     
    }                                         
    real_server 192.168.119.121 80 {          
        weight 1                              #权重，最大越高，lvs就越优先访问
        TCP_CHECK {                           #keepalived的健康检查方式HTTP_GET | SSL_GET | TCP_CHECK | SMTP_CHECK | MISC
            connect_timeout 10                #10秒无响应超时
            retry 3                           #重连次数3次
            delay_before_retry 3              #重连间隔时间
            connect_port 80                   #健康检查realserver的端口
        }                                     
    }                                         
}                                             

vrrp_instance VI_2 {                          #vrrp 实例部分定义，VI_1自定义名称
    state   BACKUP                            #指定 keepalived 的角色，必须大写 可选值：MASTER|BACKUP 分别表示（主|备）
    interface ens33                           #网卡设置，绑定vip的子接口，lvs需要绑定在网卡上，realserver绑定在回环口。区别：lvs对访问为外，realserver为内不易暴露本机信息
    virtual_router_id 52                      #虚拟路由标识，是一个数字，同一个vrrp 实例使用唯一的标识，MASTER和BACKUP 的 同一个 vrrp_instance 下 这个标识必须保持一致
    priority 90                               #定义优先级，数字越大，优先级越高。
    advert_int 1                              #设定 MASTER 与 BACKUP 负载均衡之间同步检查的时间间隔，单位为秒，两个节点设置必须一样
    authentication {                          #设置验证类型和密码，两个节点必须一致
        auth_type PASS                        
        auth_pass 1111                        
    }                                         
    virtual_ipaddress {                       #设置虚拟IP地址，可以设置多个虚拟IP地址，每行一个
        192.168.119.131                       
    }                                         
}                                             

virtual_server 192.168.119.131 80 {           #定义RealServer对应的VIP及服务端口，IP和端口之间用空格隔开
    delay_loop 6                              #每隔6秒查询realserver状态
    lb_algo rr                                #后端调试算法（load balancing algorithm）
    lb_kind DR                                #LVS调度类型NAT/DR/TUN
    #persistence_timeout 60                   #同一IP的连接60秒内被分配到同一台realserver
    protocol TCP                              #用TCP协议检查realserver状态
    real_server 192.168.119.120 80 {          
        weight 1                              #权重，最大越高，lvs就越优先访问
        TCP_CHECK {                           #keepalived的健康检查方式HTTP_GET | SSL_GET | TCP_CHECK | SMTP_CHECK | MISC
            connect_timeout 10                #10秒无响应超时
            retry 3                           #重连次数3次
            delay_before_retry 3              #重连间隔时间
            connect_port 80                   #健康检查realserver的端口
        }                                     
    }                                         
    real_server 192.168.119.121 80 {          
        weight 1                              #权重，最大越高，lvs就越优先访问
        TCP_CHECK {                           #keepalived的健康检查方式HTTP_GET | SSL_GET | TCP_CHECK | SMTP_CHECK | MISC
            connect_timeout 10                #10秒无响应超时
            retry 3                           #重连次数3次
            delay_before_retry 3              #重连间隔时间
            connect_port 80                   #健康检查realserver的端口
        }
    }
}

LVS + Keepalived 介绍和实战操作演示就先到这里了，有任何疑问欢迎给我留言，也可关注我的公众号【大数据与云原生技术分享】，后续会持续更新相关技术文章~。