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负载均衡及三种软件负载

news 2025/10/23 19:45:32

[!TIP]

环境用nginx反向代理文档里的三台服务器即可

一、基于nginx的负载均衡

七层负载：

  1. 配置nginx.conf主配置文件

    vim /etc/nginx/nginx.conf

    在http块内添加：

    upstream userLB(随意){
#server写的ip:端口号(8080为tomcat默认监听)server 后端服务器A的内网ip:8080;server 后端服务器B的内网ip:8080;
}

  2. 修改nginx子配置文件

    vim /etc/nginx/conf/default.conf

    location /user/{proxy_set_header Host $http_host;proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;proxy_pass http://userLB/;#这个写负载均衡块名,注意结尾有个/proxy_redirect default;}

二、ipvsadm

  1. 安装

    yum -y install ipvsadm

  2. 语法：

    命令: ipvsadm
作用: 用于管理和配置IPVS
语法: ipvsadm [选项] [选项值]
选项参数：
-A：添加一个新的虚拟服务器配置
-D：删除虚拟服务器配置
-a：添加一个后端真实服务器
-d：删除一个后端真实服务器
-L：列出当前的IPVS表，包括虚拟服务器和后端真实服务器的配置
-n：以数字格式显示IP地址和端口号
-t <VIP:Port>：指定虚拟服务器的IP地址和端口号
-r <RIP:Port>：指定后端真实服务器的IP地址和端口号
-s <Scheduling_Algorithm>：指定调度算法，如rr（轮询）、wrr（加权轮询）、lc（最少连接）、wlc（加权最少连接）等
-g：指定lvs的工作模式，使用DR模式
-m：使用NAT模式
-i：使用TUN模式
-w <Weight>：指定后端真实服务器的权重，用于负载均衡的算法
-C：清除IPVS表中的所有配置
示例：
#添加虚拟服务器配置
ipvsadm -A -t 192.168.1.100:80 -s wlc
#添加后端真实服务器
ipvsadm -a -t 192.168.1.100:80 -r 10.0.0.1:80 -g
#查看当前的IPVS表
ipvsadm -L -n
#删除虚拟服务器配置
ipvsadm -D -t 192.168.1.100:80

三、基于NAT负载

  1. userA与userB准备不同的页面显示，用于后面负载均衡的验证

    修改/usr/local/apache-tomcat-9.0.111/webapps/ROOT/index.html(自己创建)内容即可

  2. 关闭userA和userB虚拟机的外网

    image-20251021205428359

    MobarX中，userA和userB虚拟机用内网ip连接

  3. 配置后端服务器的路由信息

    提前下载net-tools: yum install net-tools -y

    userA: route add -net 192.168.233.0/24 gw 192.168.16.128
    userB: route add -net 192.168.233.0/24 gw 192.168.16.128

    第一个ip是代理服务器外网网关，第二个是代理服务器内网ip

  4. 代理服务器安装ipvsadm软件

    yum install ipvsadm -y

  5. lvs服务器启动路由功能

    echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

  6. lvs添加虚拟服务器配置及指定负载策略

    ipvsadm -A -t 192.168.233.130:80 -s rr rr代表nat负载

    这边监听80端口，因为是四层负载

  7. lvs添加真实服务器配置

    ipvsadm -a -t 192.168.233.130:80 -r 192.168.16.129:8080 -m
    ipvsadm -a -t 192.168.233.130:80 -r 192.168.16.130:8080 -m

  8. 查看当前的IPVS表，确认配置

    ipvsadm -Ln

  9. 访问测试

    在windows终端重复curl 192.168.233.130，有轮询即可(浏览器可能有缓存无法实现)

四、基于DR负载

[!CAUTION]

DR模式不支持端口切换，代理服务器和后端服务器(tomcat)用的端口要一致

同上环境一致，需要提前将之前的lvs的策略清除掉即可

  1. 开启user1和user2的外网，因为dr模式响应是要发送给用户的，没有外网发不出去

    image-20251021211015412

  2. 清除之前的lvs策略

    ipvsadm -C

  3. 清除后端服务器的路由配置

    提前下载net-tools: yum install net-tools -y

    userA：route del -net 192.168.233.0/24 gw 192.168.16.128(要先安装net-tools)

    userB：route del -net 192.168.233.0/24 gw 192.168.16.128(要先安装net-tools)

  4. lvs主机添加一个虚拟IP（VIP）

    ifconfig ens160:0 192.168.233.3 broadcast 192.168.233.255 netmask 255.255.255.0 up

    ens160这个要用ip a去看自己的外网网卡叫啥，192.168.233.3不是固定，自己找一个没有在用的ip，要在同一个网段

  5. lvs主机设置路由转发

    route add -host 192.168.233.3 dev ens160:0

    vim /etc/sysctl.conf 写入

    net.ipv4.ip_forward = 1
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0

  6. lvs添加虚拟服务器配置及指定负载策略

    ipvsadm -A -t 192.168.233.3:80 -s rr

    tomcat用的8080，dr模式不支持端口切换，这里用80，tomcat就要改80，这里如果用8080就不用改

  7. lvs添加真实服务器配置

    ipvsadm -a -t 192.168.233.3:80 -r 192.168.233.131:80 -g
    ipvsadm -a -t 192.168.233.3:80 -r 192.168.233.132:80 -g

    第一个使用前面指定的虚拟ip 第二个要使用后端服务器外网ip

  8. lvs配置永久生效

    ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm

    systemctl enable ipvsadm

  9. 后端服务器的lo网卡设置子网掩码为32位vip

    userA: ifconfig lo:0 192.168.233.3/32

    userB: ifconfig lo:0 192.168.233.3/32

    用前面指定的ip

  10. 后端服务器设置内核参数

    echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore # 忽略arp响应 ,不允许收

    echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce # 为了让vip发包出去

  11. 修改tomcat的端口号为80

    修改server.xml中的8080为80端口

    vim /usr/local/apache-tomcat-9.0.111/conf/server.xml 修改port

    修改完记得cd /usr/local/apache-tomcat-9.0.111/bin 运行 ./shutdown.sh和 ./startup.sh

  12. 客户端测试

    一定要记得开外网网卡

    在windows终端重复curl 192.168.233.3，有轮询即可(浏览器可能有缓存无法实现)image-20251021213919777

五、补充

1. 负载均衡算法

负载均衡：将用户的请求分配到多个后端服务器上进行处理，以达到优化资源利用率、提高响应速度和增加系统的可靠性的目的

  1. 轮询

  2. 加权轮询

    在server的ip后面加上weight=n权重值

  3. iphash

    在upstream内第一行加上ip_hash;即可

    [!CAUTION]

    使用iphash，可能导致大多数请求被发送到一台服务器，导致其他服务器过于空闲。

    但iphash可以让用户第一次请求在某台服务器，往后所有请求都在这台服务器，保证会话持久性。

2. upstream参数

  1. server：定义后端服务器的IP地址或域名，可选地指定端口号，默认为80端口。
  2. weight：服务器权重，默认为1。权重越高，处理的请求比例越大。
  3. max fails：Nginx尝试连接后端服务器失败的次数，默认为1。超过此次数，Nginx将服务器标记为失败。
  4. fail timeout：在max fails定义的失败次数后，距离下次检查的间隔时间，默认为10秒。
  5. backup：热备配置，仅当所有激活的服务器失败后，请求才会被转发到标记为backup的服务器。
  6. down：标记服务器永远不可用，通常用于维护或测试。配合iphash使用时，服务器不能被标记为down。

3. 软件负载

区别与抉择说明

  1. lvs

    四层路由设备，根据用户请求的IP与端口号，实现将用户的请求分发至不同的主机。每秒并发量1.6W,CPU占用率25%,性能综合比最好，配置复杂。

  2. HAProxy

    七层负载均衡器，针对http协议实现负载均衡，也可以实现tcp（mysql，smtp）等协议的负载均衡。每秒并发量2.3W,CPU占用率95%,转发快，CPU占用高，配置简单。

  3. nginx

    层负载均衡器或者四层负载均衡器，主要功能是针对http，smtp，pop3，imap等协议实现负载均衡，只负责解析有限的七层协议。每秒并发量2W，CPU占用率80%，转发没有haproxy快，CPU占用率比它低

4. 四层与七层负载

  1. 四层

    四层的负载均衡就是基于IP+端口的负载均衡；

    四层更快，在内核空间处理，不用走用户空间；

    无法实现太复杂负载均衡控制；

    常见的四层负载软件设备：lvs，nginx；

    工作在传输层，使用TCP、UDP协议；
    负载效率高；
    用ipvsadm软件操作；
    配置复杂度高。

  2. 七层

    七层的负载均衡就是基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡；

    七层功能更多，经内核空间，进入用户空间的应用进程进行转发；

    可以实现更复杂的负载均衡控制；

    效率没有四层好；

    工作在网络层，使用http、https协议；
    负载效率一般；
    用nginx实现；
    配置复杂度低。

5. lvs

5.1 概述

LVS（Linux Virtual Server）是一个基于Linux操作系统的高性能、可扩展的负载均衡器。它提供了一种可靠的、高可用的解决方案，用于将来自客户端的请求分发到多个后端服务器，以实现负载均衡和高可用性。

lvs工作在 OSI 模型的传输层，即四层负载均衡，LVS主要由两部分组成，ipvs和ipvsadm：

ipvs：工作在内核空间，它是LVS的核心组件，负责实际处理负载均衡和流量调度的功能。IPVS通过拦截并重定向传入的网络连接，将连接请求分发到后端的真实服务器。IPVS实现了负载均衡算法和网络连接管理，以确保请求在后端服务器之间均衡分发
ipvsadm：工作在用户空间，它是一个命令行工具，用于管理和配置IPVS。IPVSADM提供了一组命令，用于添加、修改和删除虚拟服务器、后端服务器和负载均衡规则。通过IPVSADM，管理员可以在用户空间灵活地配置和管理IPVS的各个组件，以定义集群服务和后端真实服务器

5.2 名词

  • DS（Director Server）：前端负载均衡器节点(负载均衡服务器)
  • RS（Real Server）：后端真实的工作服务器(后端服务器)
  • VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标IP地址(负载均衡服务器IP)
  • DIP（Director Server IP）：主要用于和内部主机通讯的IP地址(负载均衡服务器内网IP)
  • RIP（Real Server IP）：后端服务器的IP地址
  • CIP（Client IP）：客户端的IP地址

5.3 原理

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  1. 当客户端发起请求时，请求首先到达 LVS 负载均衡器，它是网络流量的入口
  2. 调度器将请求发往至内核空间
  3. PREROUTING 链首先会接收到用户请求，判断目标 IP，确定是本机 IP，将数据包发往 INPUT 链
  4. 当用户请求到达 INPUT 时，ipvs检查数据包里面的目的ip及端口，对比现有的规则，符合的话ipvs会强行修改数据包里的目标 IP 地址及端口，并将新的数据包发往 POSTROUTING 链
  5. POSTROUTING 链接收数据包后，将数据包最终发送给相应的后端服务器
  6. 后端服务器接收到请求后，根据请求的内容进行处理，并生成响应，响应经过相同的路径返回到负载均衡器
  7. 负载均衡器收到后端服务器的响应后，将响应转发给发起请求的客户端

5.4 工作模式

5.4.1 NAT模式

路由转发模式。在该模式下，负载均衡器不仅需要修改请求报文的目标地址，还需要修改响应报文的源地址，适用于小规模集群

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5.4.2 DR模式

直接路由模式。在该模式下，负载均衡器只修改请求报文的目标MAC地址，而不修改IP地址，后端服务器直接将响应报文发回客户端，适用于大规模集群

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6. HAProxy概述

HAProxy的工作流程主要包括以下几个步骤：

  1. 客户端请求：客户端发送请求到HAProxy的前端。
  2. 前端处理：前端根据配置的规则（如负载均衡算法、ACL规则等）选择合适的后端。
  3. 后端转发：前端将请求转发到选定的后端服务器进行处理。
  4. 服务器响应：后端服务器处理请求并返回结果给前端。
  5. 返回客户端：前端将处理结果返回给客户端。

配置概述：

vim /etc/haproxy/haproxy.cfg

listen webclusterbind *:80mode http#balance firstbalance static-rrserver  web1 172.25.254.10:80 check inter 2 fall 3 rise 5 weight 2server  web2 172.25.254.20:80 check inter 2 fall 3 rise 5 weight 1

7. 网段和网关的区别

http://www.hskmm.com/?act=detail&tid=37582

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