云计算集群技术与应用- 教案-教学设计 第06章 LVS四层负载集群

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6章LVS四层负载集群计划学时4学时内容分析本章主要介绍LVS四层负载集群的相关知识，包含LVS简介、LVS-NAT四层负载集群实战案例、LVS-DR四层负载集群实战案例。教学目标与教学要求【知识目标】理解LVS概念。理解LVS原理架构。理解LVS工作模式。【技能目标】掌握部署LVS-NAT四层负载集群。掌握部署LVS-DR四层负载集群。【思政育人目标】培养学生的创新意识和科学探究精神，培养学生的家国情怀和专业热情。培养学生求真务实的精神和开拓思路、灵活运用的能力。鼓励学生发愤图强，艰苦奋斗，努力掌握和研发核心技术，壮大国产事业。教学重点LVS原理架构、LVS工作模式、LVS-NAT四层负载集群教学难点LVS架构中数据的传输过程、LVS的4种工作模式教学方式课堂讲解配合ppt演示2学时，上机演练2学时教学过程第一学时（LVS简介、LVS-NAT四层负载集群实战案例）一、提出需求，导入学习任务（1）思考LVS四层负载集群的学习应该从何入手。在前几章已经提到过，当一台服务器的处理能力、存储空间不足时，可以增加一台服务器，将应用与数据分离，降低服务器负载压力，提高网站访问效率。四层负载均衡是指基于IP和端口的负载均衡，访问流量通过负载均衡设备设置的服务器选择方式（算法），然后决定选择后端的真实服务器。四层负载集群架构设计比较简单，因为无需解析接收的具体消息内容，所以在网络吞吐量及处理能力上会相对比较高。四层负载用得最多得是LVS软件，本章将详细讲解使用LVS四层负载集群。（2）明确学习方向。理解LVS概念。理解LVS原理架构。理解LVS工作模式。掌握部署LVS-NAT四层负载集群。二、知识讲解（一）LVS简介1.LVS概念（1）LVS（LinuxVirtualServer）是一款虚拟的服务器集群系统，该项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。LVS本身并不提供服务，只作为流量的接入层，将客户端的请求转发给对应的后端服务器进行处理，从而实现集群环境中的负载均衡。（2）LVS的特性：作为四层负载均衡调度器，仅用于分发流量，以至于消耗极低的CPU和内存，因此具备极高的抗负载能力。因为Linux内核已经内置了LVS功能模块，所以无需人为接触过多的配置项，极大地降低了配置的难度。LVS可以在二层、三层、四层工作，应用范围比较广。LVS在负载均衡端具有灵活的策略选择。（3）LVS的不足：LVS无法在云端服务器上部署。LVS在原理上讲，直接将客户端请求分发给后端节点，缺少抵御网络攻击的能力。LVS不支持七层的虚拟主机，动静分离等功能，不适合中小型应用。（4）LVS集群的体系结构可以分为3层，分别为负载均衡调度器（或者负载调度器）、服务器池、共享存储。2.LVS原理架构LVS重要的内核模块和管理工具：IPVS：LVS集群系统的重要内核模块，工作在内核上的程序，直接作用于请求转发。Ipvsadm：工作在用户空间的命令行工具，主要用于管理集群服务等。在安装LVS时需要另行安装Ipvsadm工具。3.LVS工作模式Active/Passive（主备模式）Active/Active（双主模式）N+1模式N+M模式N-to-1模式（二）LVS-NAT四层负载集群实战案例（详细步骤见第6章PPT）1.实验原理服务器使用NAT模式对外提供服务时，用户请求的整体处理流程如图。可以看出，客户端的请求在网上进行传送时会经过路由器及交换机的转发，寻找到网站的服务器。网站设置为LVS-NAT模式后，对外接收请求的只有负载均衡器。负载均衡器设有两块网卡，一个IP对外接收请求，另一个IP则对内进行资源的分发与收集，将外网与内网隔开。简而言之，外界的请求只有通过负载均衡器的转发，才能到达真实的服务器进行处理；内在的处理结果也只有通过负载均衡器进行转发，才能反馈给客户端。2.环境准备本次实验需要3台VM虚拟机（或者物理服务器），一台LVS负载均衡服务器，两台真实服务器。虚拟LVS服务器需要一个公网IP、一个私网IP，使用一块网卡为桥接模式，另一块为主机模式。真实服务器只需要设有私网IP即可，网卡为主机模式。3.搭建部署（1）配置真实服务器首先为真实服务器配置网站及路由。在web1和web2上安装Apache服务。启动网站服务，并设置为开机自启。做负载均衡时，后端所有真实服务器提供的服务应该是一样的，此处为了区分到底是哪台服务器在处理请求，设置不同的Web页面。//web1[root@web1~]#echoweb1>/var/www/html/index.html//web2[root@web2~]#echoweb2>/var/www/html/index.html下载Net-tools工具，以便使用route命令处理网关接口。[root@natlb~]#yum-yinstallnet-tools配置Web服务器的网卡模式为仅主机模式，即与LVS负载调度器的私网IP在同一网段。修改web1的网卡配置文件，设置静态网络。修改web2的网卡配置文件，设置静态网络。为外网的请求指定处理网关接口。//web1[root@web1~]#routeadd-net/24gw0//web2[root@web2~]#routeadd-net/24gw0web2除了默认页面与其不同，其他配置与web1相同即可。（2）配置LVS负载均衡器配置好真实服务器后，接下来为LVS-NAT配置路由功能及负载策略。首先启动LVS负载调度器的路由功能。[root@natlb~]#echo1>/proc/sys/net/ipv4/ip_forward开启路由功能之后，安装配置路由所需的ipvsadm工具。[root@natlb~]#yum-yinstallipvsadm为LVS负载均衡服务器添加一个VIP，并指定网络协议为TCP协议，轮询策略为rr（轮询调度算法）。[root@natlb~]#ipvsadm-A-t2:80-srr将Web真实服务器的IP加入轮询队伍。[root@natlb~]#ipvsadm-a-t2:80-r1:80-m[root@natlb~]#ipvsadm-a-t2:80-r2:80-m（3）客户端测试配置完成后，需要使用客户端测试负载均衡器是否正常工作。若使用VM虚拟机或真实物理机作为客户端，需要在客户端安装测试工具Elinks。[root@natlb~]#yum-yinstallelinks多进行几次网站的访问，具体如下所示。[root@natlb~]#elinks--dump2web1[root@natlb~]#elinks--dump2web2[root@natlb~]#elinks--dump2web1[root@natlb~]#elinks--dump2web2[root@natlb~]#elinks--dump2web1[root@natlb~]#elinks--dump2web2[root@natlb~]#elinks--dump2web1web1和web2交替进行服务，说明负载均衡器有效地将外界的请求在内部进行分发，提高了网站的工作效率。使用宿主机浏览器访问LVS负载均衡调度器，模拟客户端访问的场景，会交替访问到后端真实服务器。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6章课后作业。第二学时（LVS-DR四层负载集群实战案例）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。掌握部署LVS-DR四层负载集群。二、知识讲解（一）环境准备本次实验需要3台VM虚拟机（或者物理服务器），一台LVS负载均衡服务器，两台真实服务器，并且处于同一网段，具体如表。角色主机名IP负载均衡器（LVS-DR）drlb2950（VIP）真实服务器web330真实服务器web431（二）搭建部署1.配置LVS负载均衡器在LVS-DR负载集群中，要求包含的每一台主机都要配置一个公网IP，并且LVS负载调度器以及真实服务器配置一个相同的虚拟IP，此虚拟IP需要与其他IP在同一网段，且是未被占有的IP地址。安装网卡接口配置工具。[root@drlb~]#yum-yinstallnet-tools添加虚拟IP的虚拟接口，将VIP配置在物理网卡的子接口上，本实验的VIP设置为50。[root@drlb~]#ifconfigens33:050broadcast55netmaskup查看网络接口和网卡信息，可看到为ens33网卡配置了一个子接口，即VIP。给ens33:0添加路由，实现将目标地址为VIP的数据包从VIP的子接口上发送出去。[root@drlb~]#routeadd-host50devens33:0修改系统配置文件，设置路由转发，关闭重定向。[root@drlb~]#vim/etc/sysctl.confnet.ipv4.ip_forward=1 #开启路由功能net.ipv4.conf.all.send_redirects=0 #禁止转发重定向报文net.ipv4.conf.ens33.send_redirects=0 #禁止ens33转发重定向报文net.ipv4.conf.default.send_redirects=0 #禁止转发默认重定向报文修改完成系统配置文件后，可以更新配置结果到内存。[root@drlb~]#sysctl-p安装LVS集群管理软件Ipvsadm。[root@drlb~]#yum-yinstallipvsadm清除内核虚拟服务器表中的所有IPVS规则。[root@drlb~]#ipvsadm-C添加虚拟服务器，即VIP，使用轮询调度算法。[root@drlb~]#ipvsadm-A-t50:80-srr将Web真实服务器的IP加入轮询队伍。[root@drlb~]#ipvsadm-a-t50:80-r30:80-g[root@drlb~]#ipvsadm-a-t50:80-r31:80-g查看当前配置的虚拟服务以及各个真实服务器的权重。[root@drlb~]#ipvsadm-Ln永久保存LVS负载配置，以确保Ipvsadm服务正常运行。[root@drlb~]#ipvsadm-save>/etc/sysconfig/ipvsadm设置Ipvsadm开机自启。2.配置Web集群为案例中的两台web服务器安装http软件，部署Web服务。[root@web3~]#yum-yinstallhttpd[root@web4~]#yum-yinstallhttpd为了区分到底是哪台服务器在处理请求，设置不同的Web页面。//web3[root@web3~]#echoweb3>/var/www/html/index.html//web4[root@web4~]#echoweb4>/var/www/html/index.html启动httpd服务，并设置为开机自启。安装Net-tools工具，然后为Web服务器的lo网卡设置成子网掩码为32位的VIP。//web3[root@web3~]#yum-yinstallnet-tools[root@web3~]#ifconfiglo:050/32//web4[root@web4~]#yum-yinstallnet-tools[root@web4~]#ifconfiglo:050/32若在同一个广播域（网段）配置多个相同VIP，会造成各服务器ARP（AddressResolutionProtocol，地址解析协议）通信的紊乱，那么需要配置Web服务器的内核参数，关闭ARP转发，实现接口IP的广播不响应不广播。配置接收到ARP请求时的应答模式。//web3[root@web3~]#echo1>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore//web4[root@web4~]#echo1>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore配置接发送ARP请求时的动作。//web3[root@web3~]#echo2>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce//web4[root@web4~]#echo2>/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce3.客户端测试配置完成后，需要使用客户端测试负载均衡器是否正常工作。若使用VM虚拟机或真实物理机作为客户端，需要在客户端安装测试工具Elinks。[root@drlb~]#yum-yinstallelinks多进行几次网站的访问，观察访问的结果。[root@drlb~]#elinks--dump50/web4[root@drlb~]#elinks--dump50/web4[root@drlb~]#elinks--dump50/web3[root@drlb~]#elinks--dump50/web3[root@drlb~]#elinks--dump50/web4查看LVS集群访问过程。[root@drlb~]#ipvsadm-Lnc使用宿主机浏览器访问VIP，模拟客户端访问的场景只有当访问量大的时候，才会出现如图显示的访问结果。查看并统计IPVS模块的转发情况。[root@drlb~]#ipvsadm-Ln--stats--rateIPVirtualServerversion1.2.1(size=4096)ProtLocalAddress:PortConnsInPktsOutPktsInBytesOutBytes->RemoteAddress:PortTCP50:80181970461910->30:80959068100->31:8091380393810至此，LVS-DR模式集群配置部署完成。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6章课后作业。第三学时（上机练习-LVS-NAT四层负载集群实战案例）一、目标学生根据教材中的操作步骤和教师的演示进行上机练习，以此练习部署LVS-NAT四层负载集群等相关知识，以及检查学生对相关知识点的掌握情况。上机练习完成后将报告通过平台提交给老师。二、上机任务1.准备服务器准