Linux Cluster： 基于内核级实现
系统扩展的方式：
Scale UP：向上扩展，增强
Scale Out：向外扩展，增强设备，调度分配问题
Cluster：计算机集合，为解决某个特定问题组合起来形成的单个系统；
Linux Cluster类型：
LB：Load Balancing，负载均衡；
HA：High Availiablity，高可用；避免SPOF(single point of failure)单点失败
MTBF:平均无故障时间
MTTR:平均恢复前时间
A=MTBF/（MTBF+MTTR）
(0,1)：90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, 99.9999%
HP：High Performance，高性能；
www.top500.org
分布式系统：
分布式存储：云盘
分布式计算：hadoop，spark
系统扩展方式：
Scale UP：向上扩展
Scale Out：向外扩展
Cluster
Cluster分类 LB Cluster：
LB Cluster的实现：
硬件：
F5 Big-IP
Citrix Netscaler
A10 A10
软件：
lvs：Linux Virtual Server
nginx
haproxy
ats：apache traffic server
perlbal
pound
基于工作的协议层次划分：
传输层（通用）：DPORT
lvs：
nginx：（stream）
haproxy：（mode tcp）
应用层（专用）：（自定义的请求模型分类）
proxy sferver：
http：nginx, httpd, haproxy(mode http), ...
fastcgi：nginx, httpd, ...
mysql：mysql-proxy, ...
...
站点指标：
PV：Page View
UV：Unique Vistor
IP：
会话保持：
(1) session sticky
Source IP：LVS sh算法(对某一特定服务而言)
Cookie
(2) session replication;
session cluster
(3) session server
memcached，redis
lvs：Linux Virtual Server
VS: Virtual Server
RS: Real Server
作者：章文嵩；alibaba --> didi
l4：四层路由器，四层交换机；
VS：根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RealServer，根据调度算法来挑选RS；
iptables/netfilter：
iptables：用户空间的管理工具；
netfilter：内核空间上的框架；
流入：PREROUTING --> INPUT
流出：OUTPUT --> POSTROUTING
转发：PREROUTING --> FORWARD --> POSTROUTING
DNAT：目标地址转换； PREROUTING；
lvs: ipvsadm/ipvs
ipvsadm：用户空间的命令行工具，规则管理器，用于管理集群服务及RealServer；
ipvs：工作于内核空间的netfilter的INPUT钩子之上的框架；
使用ipvsadm的时候，记得禁用iptables和firewalld
lvs集群类型中的术语：
vs：Virtual Server, Director, Dispatcher, Balancer
rs：Real Server, upstream server, backend server
CIP：Client IP
VIP: Virtual serve IP
RIP: Real server IP
DIP: Director IP
CIP <--> VIP == DIP <--> RIP 原路返回
lvs集群的类型：
lvs-nat：修改请求报文的目标IP；多目标IP的DNAT；
lvs-dr：操纵封装新的MAC地址；
lvs-tun：在原请求IP报文之外新加一个IP首部；
lvs-fullnat：修改请求报文的源和目标IP；
lvs-nat：
多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某挑出的RS的RIP和PORT实现转发；
（1）RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP；
（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发；Director易于成为系统瓶颈；
（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT；
（4）vs必须是Linux系统，rs可以是任意系统；
lvs-dr：默认模型
Direct Routing，直接路由；
通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变；
Director和各RS都得配置使用VIP；
(1) 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director：
(a) 在前端网关做静态绑定；
(b) 在RS上使用arptables；
(c) 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别，为了防止地址冲突。
arp_announce 1：在rs上不响应vip地址的arp请求
arp_ignore 2：在rs上不向非本网络通告vip地址
(2) RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director；
(3) RS跟Director要在同一个物理网络；
(4) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director，而是由RS直接发往Client；
(5) 不支持端口映射；
lvs-tun：
转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）；
(1) DIP, VIP, RIP都应该是公网地址；
(2) RS的网关不能，也不可能指向DIP；
(3) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director；
(4) 不支持端口映射；
(5) RS的OS得支持隧道功能；
(6) 中间可以跨路由器
lvs-fullnat：
通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发；
CIP --> DIP 源地址
VIP --> RIP 目标地址
(1) VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP；
(2) RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client；
(3) 请求和响应报文都经由Director；
(4) 支持端口映射；
注意：此类型内核默认不支持；
总结：
lvs-nat, lvs-fullnat：请求和响应报文都经由Director；
lvs-nat：RIP的网关要指向DIP；
lvs-fullnat：RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信；
lvs-dr, lvs-tun：请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client；
lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发；
lvs-tun：通过在原IP报文之外封装新的IP报文实现转发，支持远距离通信；
ipvs（2）
ipvs scheduler：
根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态，可分为静态方法和动态方法两种：
静态方法：仅根据算法本身进行调度；不管后端服务器的状态
RR：roundrobin，轮询；
WRR：Weighted RR，加权轮询；
SH：Source Hashing，实现session sticy，源IP地址hash；将来自于同一个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；
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，如宽带运营商。
动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度；
Overhead=value，较小的RS将被调度。
LC：least connections
Overhead=activeconns*256+inactiveconns
active:三次握手连接已经建立，且在传输数据
inactive：三次握手连接已经建立，但没在传输数据
WLC：Weighted LC 系统默认调度方法
Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight
SED：Shortest Expection Delay，初始连接高权重优先
Overhead=(activeconns+1)*256/weight
NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED
LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理
LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC均衡负载不均衡的问题
ipvsadm/ipvs：
ipvs：
grep -i -C 10 "ipvs" /boot/config-VERSION-RELEASE.x86_64 查看内核支持的模块
支持的协议：TCP， UDP， AH， ESP， AH_ESP, SCTP；
ipvs集群：
集群服务
服务上的RS
ipvsadm：
程序包：ipvsadm
yum install ipvsadm
Unit File: ipvsadm.service
主程序：/usr/sbin/ipvsadm
规则保存工具：/usr/sbin/ipvsadm-save
规则重载工具：/usr/sbin/ipvsadm-restore
配置文件：/etc/sysconfig/ipvsadm-config
ipvsadm命令：
核心功能：
集群服务管理：增、删、改；
集群服务的RS管理：增、删、改；
查看：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [--pe persistence_engine] [-b sched-flags]
ipvsadm -D -t|u|f service-address 删除
ipvsadm -C 清空
ipvsadm -R 重载
ipvsadm -S [-n] 保存
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [options]
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -L|l [options]
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]
管理集群服务：增、改、删；
增、改：
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
删：
ipvsadm -D -t|u|f service-address
service-address：
-t|u|f：
-t: TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT
-u: TCP协议的端口，VIP:UDP_PORT
-f：firewall MARK，防火墙标签，是一个数字；
[-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc；
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]
删：
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
server-address：
rip[:port]
选项：
lvs类型：
-g: gateway, dr类型，默认模型
-i: ipip, tun类型
-m: masquerade, nat类型
-w weight：权重；
清空定义的所有内容：
ipvsadm -C
查看：
ipvsadm -L|l [options]
--numeric, -n：numeric output of addresses and ports
--exact：expand numbers (display exact values)
--connection， -c：output of current IPVS connections
--stats：output of statistics information
--rate ：output of rate information
保存和重载：
ipvsadm -S = ipvsadm-save
ipvsadm -R = ipvsadm-restore
负载均衡集群设计时要注意的问题：
(1) 是否需要会话保持；
(2) 是否需要共享存储；
共享存储：NAS， SAN， DS（分布式存储）
数据同步：
lvs-nat：
设计要点：
(1) RIP与DIP在同一IP网络, RIP的网关要指向DIP；
(2) 支持端口映射；
(3) Director要打开核心转发功能；
ipvsadm/ipvs
ipvs：内核中的INPUT链上；
ipvsadm：用户空间的命令行工具；
服务管理：-A，-E，-D
集群服务的RS管理：-a, -e, -d
查看：-L|l
-n, --exact, -c, --stats, --rate
清理：-C
保存：-S = ipvsadm-save
重载：-R = ipvsadm-restore
ipvs（3）
Demo：
lvs-dr：
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；
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的任意地址进行响应；
1: 仅在请求的目标IP配置在本地主机的接收到请求报文接口上时，才给予响应；
限制通告级别：arp_announce
0：默认值，把本机上的所有接口的所有信息向每个接口上的网络进行通告；
1：尽量避免向非直接连接网络进行通告；
2：必须避免向非本网络通告；
1.做dr实验的时候，再rs上记得先禁止VIP地址广播，在配置VIP地址，如果先配地址的话，网络中的主机、路由器就会得到其mac地址，之后再禁止VIP地址广播也无效了
2.lvs必须配置网关，不然lvs会默认不再向外转发数据包。
RS的预配置脚本：
#!/bin/bash
#
vip=10.1.0.5
mask='255.255.255.255'
case $1 in
start)
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
ifconfig lo:0 $vip netmask $mask broadcast $vip up
route add -host $vip dev lo:0
;;
stop)
ifconfig lo:0 down
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
;;
*)
echo "Usage $(basename $0) start|stop"
exit 1
;;
esac
VS的配置脚本：
#!/bin/bash
#
vip='10.1.0.5'
iface='eno16777736:0'
mask='255.255.255.255'
port='80'
rs1='10.1.0.7'
rs2='10.1.0.8'
scheduler='wrr'
type='-g'
case $1 in
start)
ifconfig $iface $vip netmask $mask broadcast $vip up
iptables -F
ipvsadm -A -t ${vip}:${port} -s $scheduler
ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs1} $type -w 1
ipvsadm -a -t ${vip}:${port} -r ${rs2} $type -w 1
;;
stop)
ipvsadm -C
ifconfig $iface down
;;
*)
echo "Usage $(basename $0) start|stop"
exit 1
;;
esac
FWM：FireWall Mark
netfilter：
target: MARK, This target is used to set the Netfilter mark value associated with the packet.
--set-mark value
借助于防火墙标记来分类报文，而后基于标记定义集群服务；可将多个不同的应用使用同一个集群服务进行调度；
打标记方法（在Director主机）：
# iptables -t mangle -A PREROUTING -d $vip -p $proto --dport $port -j MARK --set-mark NUMBER
基于标记定义集群服务：
# ipvsadm -A -f NUMBER [options]
lvs persistence：持久连接
持久连接模板：实现无论使用任何调度算法，在一段时间内，能够实现将来自同一个地址的请求始终发往同一个RS；
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]
port Affinity：
每端口持久：每个端口对应定义为一个集群服务，每集群服务单独调度；
每防火墙标记持久：基于防火墙标记定义集群服务；可实现将多个端口上的应用统一调度，即所谓的port Affinity；
每客户端持久：基于0端口定义集群服务，即将客户端对所有应用的请求统统调度至后端主机，必须定义为持久模式；
保存及重载规则：
保存：建议保存至/etc/sysconfig/ipvsadm
ipvsadm-save > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
ipvsadm -S > /PATH/TO/IPVSADM_FILE
systemctl stop ipvsadm.service
重载：
ipvsadm-restore < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
ipvsadm -R < /PATH/FROM/IPVSADM_FILE
systemctl restart ipvsadm.service
考虑：
(1) Director不可用，整个系统将不可用；SPoF
解决方案：高可用
keepalived
heartbeat/corosync
(2) 某RS不可用时，Director依然会调度请求至此RS；
解决方案：对各RS的健康状态做检查，失败时禁用，成功时启用；
keepalived
heartbeat/corosync, ldirectord
检测方式：
(a) 网络层检测；
(b) 传输层检测，端口探测；
(c) 应用层检测，请求某关键资源；
ok --> failure
failure --> ok
