云计算集群技术与应用- 教案-教学设计 第01章 集群基础知识

云计算集群技术与应用教学设计课程名称：云计算集群技术与应用__授课年级：_______________________授课学期：_______________________教师姓名：_______________________年月日课程名称第1章集群基础知识计划学时2学时内容分析本章主要介绍集群的概念、集群的特点、集群的分类、负载均衡的相关介绍，以及服务器健康检查。教学目标与教学要求【知识目标】理解集群的核心概念。理解集群的特点。理解集群的分类。理解负载均衡的相关知识。了解服务器健康检查。【技能目标】理解并掌握集群的核心概念。理解并掌握的特点。理解并掌握集群的分类。理解并掌握负载均衡的相关知识。【思政育人目标】引导学生在学习中健全职业道德的规范。引导学生创新思维和探索的科学精神。培养学生爱岗敬业、遵纪守法的职业精神。教学重点集群的核心概念、负载均衡的分类、四层合七层负载均衡的区别、负载均衡的主要方式教学难点负载均衡的主要方式、负载均衡的算法教学方式课堂讲解配合ppt演示2学时教学过程第一学时（集群简介、集群的分类）一、提出需求，导入学习任务（1）思考集群技术与应用的学习应该从何入手。说到集群，讲一个例子帮助学生理解其概念。原先的饭店只有一个厨师，负责洗菜、切菜、备料、炒菜，饭店正常运行，后来客人多了，一个厨师满足不了上菜需求，于是老板又招了厨师，两个厨师可以炒出同样的菜，两个厨师可以看作集群。随着饭店规模和客流量的增多，还可以继续招厨师，这些厨师就是一个集群。介绍集群基础知识，为以后的学习打下基础。（2）明确学习方向。理解并掌握集群的核心概念。理解并掌握的特点。理解并掌握集群的分类。理解并掌握负载均衡的相关知识。了解服务器健康检查。二、知识讲解（一）集群简介1.集群的核心概念（1）单机结构的定义单机结构是指所有应用或服务部署到一台服务器上。（2）集群的定义集群（Cluster）是指部署相同应用或服务的一组（多台）服务器组成一个并行或者分布式系统，作为一个整体向用户提供网络资源。组成集群的单个服务器为一个节点（Node），这些节点可以相互通信，协同为用户提供相同的资源，一个节点的宕机并不影响其他节点的运行和用户使用。（3）负载均衡的定义负载均衡（LoadBalance，LB）是指将负载（工作任务）分摊给到多个服务器上进行执行，如Web服务器、企业核心应用服务器、FTP服务器等，协同处理工作任务。当大量用户请求集群系统时，通过负载均衡器使得每个节点的负载情况比较平均，从而达到集群节点分担流量的作用。（4）高可用高可用（HighAvailability，HA）是指保持服务的高可用性，即保证一个系统不会因一台服务器发生故障或宕机而导致服务停止。如果某个节点服务器故障，负载均衡器则会将请求转移到其他节点上，实现冗余接管，这就是系统的高可用。（5）分布式结构分布式结构是指将同一业务模块分为多个（两个以上）子任务，部署到多个服务器上，即不同的业务模块部署到不同的服务器上。2.集群的特点（1）高可用性和容错性（2）高性能（3）可扩展性（4）成本相对较低（5）负载均衡（二）集群的分类1.负载均衡集群负载均衡集群是指在使用一组应用程序为大量客户提供服务时，通过若干前端负载均衡器将客户请求分发到后端应用集群服务器的技术，各个节点的访问请求被动态分配，达到整个系统的高可用和高性能。负载均衡集群的架构如图。2.高可用集群高可用集群是指以尽量减少服务中断时间为目的的集群技术，在任意一个节点失效时，该节点所分配的所有工作任务将会自动分配给其他可用节点，保证集群正常运行并提供服务，保持业务的正常运行。高可用性集群的架构如图。3.高性能计算集群高性能计算集群，又称科学计算集群，是指用于计算海量数据，解决复杂问题的技术三、知识巩固（1）回顾上课前的学习目标，对本节课知识点进行总结。（2）使用第一章课后作业。第二学时（负载均衡、服务器健康检查）一、回顾上节课内容（1）对上节课布置的作业以及学生提出的问题进行答疑解惑。（2）回顾上节课内容，引出本节课主题。（3）明确学习方向。理解负载均衡的分类。理解四层和七层负载均衡的区别。理解负载均衡的主要方式。理解负载均衡的算法了解服务器健康检查二、知识讲解（一）负载均衡1.负载均衡的分类（1）负载均衡按软硬件分类，软件有Nginx、LVS、Amoeba、HAProxy等，硬件有ROSE、安瑞科技、F5、Citrix等。软件类的负载均衡是指在服务器相应的操作系统上安装软件来实现负载均衡，配置简单，使用灵活；硬件类的负载均衡是指在服务器和外部网络之间安装的负载均衡设备，整体性能高。负载均衡器按OSI七层模型可以分为二层、三层、四层、七层，具体如表。负载均衡OSI七层模型位置技术原理典型代表二层负载均衡数据链路层通过一个虚拟MAC地址接收请求，然后再分配到后端真实的MAC地址F5、LVSDR模式三层负载均衡网络层通过一个虚拟IP地址接收请求，然后再分配到后端真实的IP地址LVSTUNNEL模式（IP隧道）四层负载均衡传输层通过虚拟IP+端口接收请求，然后再转发到后端真实的服务器F5、LVSNAT、HAProxy、Nginx、SLB七层负载均衡应用层通过虚拟的URL、IP或主机名接收请求，然后再转发到后端真实的服务器F5、LVSNAT、HAProxy、Nginx、SLBDNS一个域名有多个A解析、智能解析万网、DNSPod（3）四层负载均衡四层负载均衡是基于IP和端口的负载均衡，即通过发布三层的IP地址（虚拟IP）和四层的端口号，来对流量做负载均衡和分发处理，转发到后端服务器，并且记录该TCP或UDP协议的流量到达的服务器，下次仍由此台服务器处理。基于四层的负载均衡可达到每秒几十万的处理量，效率更高。（4）七层负载均衡七层负载均衡是根据用户请求的内容等应用层信息为其分配相对应的后端服务器，在这种模式下可以在同一端口下同时运行多个Web服务器。2.四层和七层负载均衡的区别（1）技术原理的区别四层负载均衡主要通过客户端请求报文中的目标地址和端口，再根据负载均衡器选择的转方式，决定最终的真实服务器。七层负载均衡主要通过报文中的应用层信息，再根据负载均衡器选择的转发方式，决定最终的真实服务器。（2）应用场景的需求四层负载均衡适用于TCP应用。四层负载均衡比七层处理效率高，更适用于网络吞吐量和并发量高的集群，可作为多种软件的负载均衡器。七层负载均衡使得整个网络更加“智能化”，功能多，控制灵活，可根据用户访问内容，将访问请求转发到相应服务器。（3）安全性四层负载均衡不能够拦截SYN攻击，会将攻击转发到后端服务器上，而七层负载均衡可以拦截SYN攻击，不会影响后端服务器。七层负载均衡还可以设定安全策略，以过滤不安全报文。由此可见，七层负载均衡比四层负载均衡安全性更高。3.负载均衡的主要方式（1）HTTP重定向HTTP重定向会根据客户端应用层的报文计算出一个真实的Web服务器IP地址，并将该IP地址写入HTTP重定向响应中返回给客户端，客户端收到重定向响应之后再去访问真实服务器，其工作原理如图。（2）DNS方式DNS负责提供域名到IP解析的过程，这时DNS服务器也就充当了负载均衡，很多域名运营商提供的智能DNS以及多线解析都是利用了DNS负载均衡的技术，开源的Bind软件就可提供电信联通多线解析等强大的技术。在DNS服务器上配置多个域名对应IP的记录，其工作原理如图1.7所示（3）反向代理方式反向代理部署在Web服务器前面，提供负载均衡的功能，同时管理着一组Web服务器，根据负载均衡算法将访问请求转发给不同的Web服务器，处理结果经过反向代理返回给浏览器。工作原理如图。（4）IP负载方式IP负载均衡是在网络层和传输层（IP和端口）通过修改目标地址进行负载均衡，具体工作结构如图。（5）链路层负载方式网络中的每台设备都有一个唯一的网络标识，这个地址叫MAC地址或网卡地址。数据链路层负载均衡是在数据链路层修改MAC地址进行负载均衡，其工作原理如图。4.负载均衡的算法（1）静态负载均衡算法静态负载均衡算法一般包括轮询法、加权轮询法、目标地址哈希法、源地址哈希法。轮询法轮询调度算法（RoundRobinScheduling，RR），调度器采用这种算法时，会将用户请求无差别地按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，不关心每个服务器上实际的连接数和当前系统负载信息。加权轮询法加权轮询调度算法（WeightedRoundRobinScheduling，WRR），调度器采用这种算法时，会将用户请求按照真实服务器不同的处理能力进行分配。给配置高、负载低的机器配置更高的权重，让其处理更多的请求；而配置低、负载高的机器，给其分配较低的权重，降低其系统负载。按照权重进行任务的调度，可以保证请求分配的合理性。目标地址哈希法目标地址哈希法（DestinationHashingScheduling，DH）是一种静态映射算法，通过一个散列（Hash）函数将一个目标IP地址映射到一台服务器。服务器首先将用户请求的目标IP地址作为散列键（HashKey），再从静态分配的散列表找出对应的服务器，如果该服务器是可用的且未超载，就将请求发送到该服务器，否则返回空。源地址哈希法源地址哈希法（SourceHashingScheduling，SH）也是一种静态映射算法，通过一个散列（Hash）函数将一个源地址IP地址映射到一台服务器。服务器首先将用户请求的源IP地址（即客户端地址）作为散列键（HashKey），再从静态分配的散列表找出对应的服务器，如果该服务器是可用的且未超载，就将请求发送到该服务器，否则返回空。采用源地址哈希法进行负载均衡，源地址一样的请求都会被分配到同一台服务器进行处理，可以实现会话的粘滞性。为了帮助大家更好地理解这四种算法，此处一张表来对它们的优缺点做对比说明，具体如表。静态负载均衡算法优缺点对比表算法优点缺点轮询法简单高效，易于水平扩展，每个服务器任务分配均衡无法保证任务分配的合理性，无法根据服务器承受能力来分配任务加权轮询法可以将不同机器的性能问题纳入考量范围，集群性能最优最大化服务器抗压能力无法精确估量，静态算法导致无法实时动态调整节点权重，只能粗糙优化目标地址哈希法根据用户访问的URL的哈希结果，使每个URL定向到同一个后端服务器上，假如某一个目标服务器不可以，或者负载过高，那么会影响发往该目标服务器的请求无法得到响应。源地址哈希法源地址一样的请求都会被分配到同一台服务器进行处理，可以解决session会话共享的问题，实现会话粘滞EQ\o\ac(○,1)由于用户的活跃度不同，可能会有大量的活跃用户被哈希到相同的服务器上，造成该服务器特别繁忙，大量的非活跃用户被哈希到相同的服务器上，造成该服务器几乎没有请求，造成请求不均衡；EQ\o\ac(○,2)一旦某个服务器挂掉，那么哈希到该服务器的所有源请求都会失败，直到服务恢复或者服务器列表中去掉该服务器（2）动态负载均衡算法最小连接法最小连接法（LeastConnectionScheduling，LC），采用这种算法做负载均衡时，调度器会根据每个真实服务器当前的连接情况，动态选取当前连接数最小的服务器来处理当前请求。最小连接法通过真实服务器当前活跃的连接数来判断真实服务器的情况，每当真实服务器有新的连接或断开连接时都需要进行计数，调度器根据各个真实服务器的连接数合理进行任务的分配。加权最小连接法加权最小连接法（WeightedLeastConnectionScheduling，WLC）在实现时增加了权重的计算，在LC算法的计算标准上除以权重，计算结果数值小的将接受下次访问请求，是企业最常用的算法也是LVS的默认算法。采用这种算法时，调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态调整其权值。基于局部性的最少链接法基于局部性的最少链接法（Locality-BasedLeastConnectionsScheduling，LBLC）类似目标地址哈希法，是针对目标IP地址的负载均衡算法，调度器根据请求的目标IP地址找出最近为该目标IP地址服务的真实服务器，若该真实服务器是可用的且没有超载，则将请求发送给该真实服务器，否则调度器将使用“最小连接”原则选出一个可用的真实服务器并将请求发送到该服务器，这种算法主要用于Cache集群系统。带复制的基于局部性最少链接法带复制的基于局部性最少链接法（Locality-BasedLeastConnectionswithReplicationScheduling，LBLCR）也是针对目标IP地址的负载均衡，它与LBLC算法的不同之处是它维护的是从一个目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护的是从一个目标IP地址到一台服务器的映射。（二）服务器健康检查服务器的健康检查是指负载均衡通过健康检查判断后端服务器是否可用。如果后端服务器异常，负载均衡将自动把访问请求转发到其他健康的服务器上；当异常服务器恢复正常时，负载均衡会自动将该服务器加入集群，继续服务。服务器健康检测技术主要讲解以下3种。1.HTTP/HTTPS监听健康检查机制在七层负载均衡模式下，负载均衡器向后端转发HTTP请求，健康检查通过HTTPHEAD请求获取状态信息，后端服务器收到请求后，根据业务的运行状况，返回HTTP状态码。2.ICMP监听健康检查机制负载均衡器向后端服