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Nginx系列教程(14) - LVS+KeepAlived+Nginx实现高性能负载均衡集群

程序员文章站 2022-05-07 14:23:13
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阅读本文前,先看看Nginx的主从热备原理图:
Nginx系列教程(14) - LVS+KeepAlived+Nginx实现高性能负载均衡集群

1. 基础概念

1.1 LVS

LVS 是一个开源的软件,可以实现传输层四层负载均衡。LVS是Linux Virtual Server的缩写,意思是Linux虚拟服务器。

  • 目前有三种IP负载均衡技术(VS/NAT、VS/TUN和VS/DR);
  • 八种调度算法(rr,wrr,lc,wlc,lblc,lblcr,dh,sh);

1.2 Lvs与Nginx区别

LVS的负载能力强,因为其工作方式逻辑非常简单,仅进行请求分发,而且工作在网络的第4层,没有流量,所以其效率不需要有过多的忧虑。

LVS基本能支持所有应用,因为工作在第4层,所以LVS可以对几乎所有应用进行负载均衡,包括Web、数据库等。

注意:LVS并不能完全判别节点故障,比如在WLC规则下,如果集群里有一个节点没有配置VIP,将会导致整个集群不能使用。还有一些其他问题,目前尚需进一步测试。

Nginx工作在网路第7层,所以可以对HTTP应用实施分流策略,比如域名、结构等。相比之下,LVS并不具备这样的功能,所以Nginx可使用的场合远多于LVS。并且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。LVS比较依赖网络环境。只有使用DR模式且服务器在同一网段内分流,效果才能得到保证。

Nginx可以通过服务器处理网页返回的状态吗、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。

比如用户正在上传一个文件,而处理该上传信息的节点刚好出现故障,则Nginx会把上传请求重新发送到另一台服务器,而LVS在这种情况下会直接断掉。Nginx还能支持HTTP和Email(Email功能很少有人使用),LVS所支持的应用在这个电商比Nginx更多。

Nginx同样能承受很高负载并且能稳定运行,由于处理流量受限于机器I/O等配置,所以负载能力相对较差。

Nginx 安装、配置及测试相对来说比较简单,因为有相应的错误日志进行提示。LVS的安装、配置及测试所花的时间比较长,因为LVS对网络以来比较大,很多时候有可能因为网络问题而配置不能成功,出现问题时,解决的难度也相对较大。Nginx本身没有现成的热备方案,所以在单机上运行风险较大,建议KeepAlived配合使用。另外,Nginx可以作为LVS的节点机器使用,充分利用Nginx的功能和性能。当然这种情况也可以直接使用Squid等其他具备分发功能的软件。

具体应用具体分析。如果是比较小型的网站(每日PV小于100万),用户Nginx就完全可以应对,如果机器也不少,可以用DNS轮询。LVS后用的机器较多,在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。

注意:阿里云默认不支持虚拟VIP技术

1.3 KeepAlived

LVS 可以实现负载均衡,但是不能够进行健康检查,比如一个rs出现故障,LVS 仍然会把请求转发给故障的rs服务器,这样就会导致请求的无效性。

KeepAlived 软件可以进行健康检查,而且能同时实现 LVS 的高可用性,解决 LVS 单点故障的问题,其实 KeepAlive 就是为 LVS 而生的。它是一个类似于Layer2,4,7交换机制的软件。是Linux集群管理中保证集群高可用的一个服务软件,其功能是用来防止单点故障。

keepalived工作原理

KeepAlived 是基于VRRP协议实现的保证集群高可用的一个服务软件,主要功能是实现真机的故障隔离和负载均衡器间的失败切换,防止单点故障。在了解keepalived原理之前先了解一下VRRP协议。

VRRP协议(Virtual Route):Redundancy Protocol虚拟路由冗余协议。是一种容错协议,保证当主机的下一跳路由出现故障时,由另一台路由器来代替出现故障的路由器进行工作,从而保持网络通信的连续性和可靠性。在介绍VRRP之前先介绍一些关于VRRP的相关术语:

  • 虚拟路由器:由一个 Master 路由器和多个 Backup 路由器组成。主机将虚拟路由器当作默认网关。
  • VRID:虚拟路由器的标识。有相同 VRID 的一组路由器构成一个虚拟路由器。
  • Master 路由器:虚拟路由器中承担报文转发任务的路由器。
  • Backup 路由器: Master 路由器出现故障时,能够代替 Master 路由器工作的路由器。
  • 虚拟 IP 地址:虚拟路由器的 IP 地址。一个虚拟路由器可以拥有一个或多个IP 地址。
  • IP 地址拥有者:接口 IP 地址与虚拟 IP 地址相同的路由器被称为 IP 地址拥有者。
  • 虚拟 MAC 地址:一个虚拟路由器拥有一个虚拟 MAC 地址。虚拟 MAC 地址的格式为 00-00-5E-00-01-{VRID}。通常情况下,虚拟路由器回应 ARP 请求使用的是虚拟 MAC
    地址,只有虚拟路由器做特殊配置的时候,才回应接口的真实 MAC 地址。
  • 优先级: VRRP 根据优先级来确定虚拟路由器中每台路由器的地位。
  • 非抢占方式:如果 Backup 路由器工作在非抢占方式下,则只要 Master 路由器没有出现故障,Backup 路由器即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master 路由器。
  • 抢占方式:如果 Backup 路由器工作在抢占方式下,当它收到 VRRP 报文后,会将自己的优先级与通告报文中的优先级进行比较。如果自己的优先级比当前的 Master 路由器的优先级高,就会主动抢占成为
    Master 路由器;否则,将保持 Backup 状态。

VRRP 将局域网内的一组路由器划分在一起,形成一个VRRP备份组,它在功能上相当于一台路由器的功能,使用虚拟路由器号进行标识(VRID)。虚拟路由器有自己的虚拟IP地址和虚拟MAC地址,它的外在变现形式和实际的物理路由完全一样。局域网内的主机将虚拟路由器的IP地址设置为默认网关,通过虚拟路由器与外部网络进行通信。

虚拟路由器是工作在实际的物理路由器之上的。它由多个实际的路由器组成,包括一个Master路由器和多个Backup路由器。 Master路由器正常工作时,局域网内的主机通过Master与外界通信。当Master路由器出现故障时, Backup路由器中的一台设备将成为新的Master路由器,接替转发报文的工作。(路由器的高可用),VRRP的工作过程如下:

  1. 虚拟路由器中的路由器根据优先级选举出 Master。 Master 路由器通过发送免费 ARP 报文,将自己的虚拟 MAC 地址通知给与它连接的设备或者主机,从而承担报文转发任务;
  2. Master 路由器周期性发送 VRRP 报文,以公布其配置信息(优先级等)和工作状况;
  3. 如果 Master 路由器出现故障,虚拟路由器中的 Backup 路由器将根据优先级重新选举新的 Master;
  4. 虚拟路由器状态切换时, Master 路由器由一台设备切换为另外一台设备,新的 Master 路由器只是简单地发送一个携带虚拟路由器的 MAC 地址和虚拟 IP地址信息的ARP 报文,这样就可以更新与它连接的主机或设备中的ARP
    相关信息。网络中的主机感知不到 Master 路由器已经切换为另外一台设备。
  5. Backup 路由器的优先级高于 Master 路由器时,由 Backup 路由器的工作方式(抢占方式和非抢占方式)决定是否重新选举 Master。 VRRP优先级的取值范围为0到255(数值越大表明优先级越高)

2. 环境配置

下面我们在虚拟机新建3个Linux系统:

主机 ip
LVS虚拟VIP 192.168.162.130
Nginx 主服务器 192.168.162.131
Nginx 备用服务器 192.168.162.132

2.1 KeepAlived环境安装教程

1.下载keepAlived

wget http://www.keepalived.org/software/keepalived-1.2.18.tar.gz

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2.解压安装

tar -zxvf keepalived-1.2.18.tar.gz

3.下载插件openssl(需要安装一个软件包)

yum install -y openssl openssl-devel

4.开始编译keepalived

cd keepalived-1.2.18/ && ./configure --prefix=/usr/local/keepalived

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5.make一下

make && make install

报错: keepalived执行./configure --prefix=/usr/local/keepalived时报错:
configure: error: Popt libraries is required

出现此错误的原因是由于未安装popt的开发包,解决方法:

yum install popt-devel

安装好popt的开发包,重新./configure 即可。

2.1.1 KeepAlived安装成Linux系统服务

将keepalived安装成Linux系统服务,因为没有使用keepalived的默认安装路径(默认路径:/usr/local),安装完成之后,需要做一些修改工作:

首先创建文件夹,将keepalived配置文件进行复制:

mkdir /etc/keepalived
cp /usr/local/keepalived/etc/keepalived/keepalived.conf /etc/keepalived/

然后复制keepalived脚本文件:

cp /usr/local/keepalived/etc/rc.d/init.d/keepalived /etc/init.d/
cp /usr/local/keepalived/etc/sysconfig/keepalived /etc/sysconfig/
ln -s /usr/local/sbin/keepalived /usr/sbin/
ln -s /usr/local/keepalived/sbin/keepalived /sbin/

可以设置开机启动:

chkconfig keepalived on

重启系统:

reboot

到此我们安装完毕!


2.1.3 使用KeepAlived命令

启动或停止KeepAlived:

service keepalived start
service keepalived stop

如果启动报错:

Starting keepalived (via systemctl): Job for keepalived.service failed because the control process exited with error code. See “systemctl status keepalived.service” and “journalctl -xe” for details.[失败]
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解决办法:

cd /usr/sbin/  
rm -f keepalived   
cp /usr/local/keepalived/sbin/keepalived  /usr/sbin/ 

再次启动:

service keepalived start

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启动成功!

2.2 主从Nginx服务器

Nginx主从服务器的搭建(Nginx+tomcat+jdk)此处就不再详述了。

2.2.1 双机主从热备

其实两台Nginx服务器也可以实现双机主从热备,平时各自负责各自的服务。在做上线更新的时候,关闭一台服务器的tomcat后,nginx自动把流量切换到另外一台服务的后备机子上,从而实现无痛更新,保持服务的持续性,提高服务的可靠性,从而保证服务器7*24小时运行。下面来讲讲实现方式:

先看看Nginx主服务器(192.168.162.131)nginx配置:

upstream testproxy {
      server 127.0.0.1:8080;
      server 192.168.162.132:8080 backup;
  }

    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;

    

        location / {
            proxy_pass   http://testproxy;
            index  index.html index.htm;
        }
	     ###nginx与上游服务器(真实访问的服务器)超时时间 后端服务器连接的超时时间_发起握手等候响应超时时间
	     proxy_connect_timeout 1s;
	      
		 ###nginx发送给上游服务器(真实访问的服务器)超时时间
         proxy_send_timeout 1s;
	      
	     ### nginx接受上游服务器(真实访问的服务器)超时时间
         proxy_read_timeout 1s;

    }

Nginx备用服务器(192.168.162.132)nginx配置:

upstream testproxy {
      server 127.0.0.1:8080;
      server 192.168.162.131:8080 backup;
  }

    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;

    

        location / {
            proxy_pass   http://testproxy;
            index  index.html index.htm;
        }
        
	     ###nginx与上游服务器(真实访问的服务器)超时时间 后端服务器连接的超时时间_发起握手等候响应超时时间
	     proxy_connect_timeout 1s;
	      
		 ###nginx发送给上游服务器(真实访问的服务器)超时时间
         proxy_send_timeout 1s;
	      
	     ### nginx接受上游服务器(真实访问的服务器)超时时间
         proxy_read_timeout 1s;

    }

启动两台服务器的Nginx:

./nginx

131和132能正常启动:
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现在我们把131的tomcat服务器关掉,访问http://192.168.162.131/,会发现访问备用服务器132了:
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只要在希望成为后备的服务器 ip 后面多添加一个 backup 参数,这台服务器就会成为备份服务器。在平时不使用,nginx 不会给它转发任何请求。只有当其他节点全部无法连接的时候,nginx 才会启用这个节点。一旦有可用的节点恢复服务,该节点则不再使用,又进入后备状态。

2.2.2 Nginx+keepalived双机主从热备

每个服务虚拟安装keepalived 虚拟一个VIP,配置主从关系,当主挂了,直接走备机。配置方式可以看前面的《2.1 KeepAlived环境安装教程》

  • Keepalived虚拟VIP 地址 192.168.162.130
  • 主服务器 192.168.162.131
  • 备用服务器 192.168.162.132

修改主keepalived信息:(修改State 为MASTER)

vi /etc/keepalived/keepalived.conf 

config内容:


vrrp_script chk_nginx {
    script "/etc/keepalived/nginx_check.sh" #运行脚本,脚本内容下面有,就是起到一个nginx宕机以后,自动开启服务
    interval 2 #检测时间间隔
    weight -20 #如果条件成立的话,则权重 -20
}
# 定义虚拟路由,VI_1 为虚拟路由的标示符,自己定义名称
vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER #来决定主从
    interface eno16777736 # 绑定虚拟 IP 的网络接口,根据自己的机器填写
    virtual_router_id 121 # 虚拟路由的 ID 号, 两个节点设置必须一样
    mcast_src_ip 192.168.162.131 #填写本机ip
    priority 100 # 节点优先级,主要比从节点优先级高
    nopreempt # 优先级高的设置 nopreempt 解决异常恢复后再次抢占的问题
    advert_int 1 # 组播信息发送间隔,两个节点设置必须一样,默认 1s
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    # 将 track_script 块加入 instance 配置块
    track_script {
        chk_nginx #执行 Nginx 监控的服务
    }

    virtual_ipaddress {
        192.168.162.130 # 虚拟ip,也就是解决写死程序的ip怎么能切换的ip,也可扩展,用途广泛。可配置多个。
    }
}

修改从keepalived信息: (修改State 为BACKUP)

vi /etc/keepalived/keepalived.conf 

config内容:


vrrp_script chk_nginx {
    script "/etc/keepalived/nginx_check.sh" #运行脚本,脚本内容下面有,就是起到一个nginx宕机以后,自动开启服务
    interval 2 #检测时间间隔
    weight -20 #如果条件成立的话,则权重 -20
}
# 定义虚拟路由,VI_1 为虚拟路由的标示符,自己定义名称
vrrp_instance VI_1 {
    state BACKUP #来决定主从
    interface eno16777736 # 绑定虚拟 IP 的网络接口,根据自己的机器填写
    virtual_router_id 121 # 虚拟路由的 ID 号, 两个节点设置必须一样
    mcast_src_ip 192.168.162.132 #填写本机ip
    priority 100 # 节点优先级,主要比从节点优先级高
    nopreempt # 优先级高的设置 nopreempt 解决异常恢复后再次抢占的问题
    advert_int 1 # 组播信息发送间隔,两个节点设置必须一样,默认 1s
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    # 将 track_script 块加入 instance 配置块
    track_script {
        chk_nginx #执行 Nginx 监控的服务
    }

    virtual_ipaddress {
        192.168.162.130 # 虚拟ip,也就是解决写死程序的ip怎么能切换的ip,也可扩展,用途广泛。可配置多个。
    }
}

nginx+keepalived实现高可用: 主从服务器新增nginx_check.sh脚本 (通过判断Nginx服务是否还存活来判断,如果没有nginx服务,重启机器)

vi /etc/keepalived/nginx_check.sh

内容:

#!/bin/bash
A=`ps -C nginx –no-header |wc -l`
if [ $A -eq 0 ];then
    /usr/local/nginx/sbin/nginx
    sleep 2
    if [ `ps -C nginx --no-header |wc -l` -eq 0 ];then
        killall keepalived
    fi
fi

注意该脚本一定要授权

chmod 777 /etc/keepalived/nginx_check.sh 

最后的效果:

通过访问LVS服务器(192.168.162.130)可以负载均衡访问到主Nginx(192.168.162.131),如果主服务器的Nginx关了,会启用备选Nginx服务器(192.168.162.132),同时也会使用脚本重启主服务器的keepalived。


当然这是最简单的LVS+KeepAlived+Nginx方式来实现高性能负载均衡集群,还有分组的方式,具体可以百度谷歌,推荐两篇文章:

Nginx系列教程(14) - LVS+KeepAlived+Nginx实现高性能负载均衡集群

本文是一篇学习笔记,如有不完善之处或者错误,恳请各位读者提出????