Linux操作系统下的集群原理及其实例解析

JavaGG 发布于 2009/05/08 10:43
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一、集群和Linux上的集群解决方案

集群系统(Cluster)主要解决下面几个问题:

高可靠性(HA)

利用集群管理软件,当主服务器故障时,备份服务器能够自动接管主服务器的工作,并及时切换过去,以实现对用户的不间断服务。

高性能计算(HP)

即充分利用集群中的每一台计算机的资源,实现复杂运算的并行处理,通常用于科学计算领域,比如基因分析,化学分析等。

负载平衡

即把负载压力根据某种算法合理分配到集群中的每一台计算机上,以减轻主服务器的压力,降低对主服务器的硬件和软件要求。

基于Linux的集群解决方案可谓百花齐放。在实际应用中,最常见的情况是利用集群解决负载平衡问题,比如用于提供WWW服务。在这里主要展示如何使用LVS(Linux Virtial Server)来实现实用的WWW负载平衡集群系统。

二、LVS简介

LVS是章文嵩博士发起和领导的优秀的集群解决方案,许多商业的集群产品,比如RedHat的Piranha,TurboLinux公司的Turbo Cluster等,都是基于LVS的核心代码的。在现实的应用中,LVS得到了大量的部署,请参考http: //www.linuxvirtualserver.org/deployment.html。关于Linux LVS的工作原理和更详细的信息,请参考http://www.linuxvirtualserver.org。

三、LVS配置实例

通过Linux LVS,实现WWW,Telnet服务的负载平衡。这里实现Telnet集群服务仅为了测试上的方便。

LVS有三种负载平衡方式,NAT(Network Address Translation),DR(Direct Routing),IP Tunneling。其中,最为常用的是DR方式,因此这里只说明DR(Direct Routing)方式的LVS负载平衡。为测试方便,4台机器处于同一网段内,通过一交换机或者集线器相连。实际的应用中,最好能将虚拟服务器vs1和真实服务器rs1, rs2置于于不同的网段上,即提高了性能,也加强了整个集群系统的安全性。

服务器的软硬件配置

首先说明,虽然本文的测试环境中用的是3台相同配置的服务器,但LVS并不要求集群中的服务器规格划一,相反,可以根据服务器的不同配置和负载情况,调整负载分配策略,充分利用集群环境中的每一台服务器。

这3台服务器中,vs1作为虚拟服务器(即负载平衡服务器),负责将用户的访问请求转发到集群内部的rs1,rs2,然后由rs1,rs2分别处理。client为客户端测试机器,可以为任意操作系统。 4台服务器的操作系统和网络配置分别为:

vs1: RedHat 6.2, Kernel 2.2.19 
vs1: eth0 192.168.0.1
vs1: eth0:101 192.168.0.101
rs1: RedHat 6.2, Kernel 2.2.14
rs1: eth0 192.168.0.3
rs1: dummy0 192.168.0.101
rs2: RedHat 6.2, Kernel 2.2.14
rs2: eth0 192.168.0.4
rs2: dummy0 192.168.0.101
client: Windows 2000
client: eth0 192.168.0.200

其中,192.168.0.101是允许用户访问的IP。

虚拟服务器的集群配置

大部分的集群配置工作都在虚拟服务器vs1上面,需要下面的几个步骤:

重新编译内核。

首先,下载最新的Linux内核,版本号为2.2.19,下载地址为:http://www.kernel.org/,解压缩后置于/usr/src/linux目录下。

其次需要下载LVS的内核补丁,地址为:http://www.linuxvirtualserver.org/software/ipvs- 1.0.6-2.2.19.tar.gz。这里注意,如果你用的Linux内核不是2.2.19版本的,请下载相应版本的LVS内核补丁。将ipvs- 1.0.6-2.2.19.tar.gz解压缩后置于/usr/src/linux目录下。

然后,对内核打补丁,如下操作:

[root@vs2 /root]# cd /usr/src/linux 
[root@vs2 linux]# patch -p1 < ipvs-1.0.6-2.2.19/ipvs-1.0.6-2.2.19.
patch

下面就是重新配置和编译Linux的内核。特别注意以下选项:

1 Code maturity level options---> 
* [*]Prompt for development and/or incomplete code/drivers
2 Networking部分:
[*] Kernel/User netlink socket
[*] Routing messages
<*> Netlink device emulation
* [*] Network firewalls
[*] Socket Filtering
<*> Unix domain sockets
* [*] TCP/IP networking
[*] IP: multicasting
[*] IP: advanced router
[ ] IP: policy routing
[ ] IP: equal cost multipath
[ ] IP: use TOS value as routing key
[ ] IP: verbose route monitoring
[ ] IP: large routing tables
[ ] IP: kernel level autoconfiguration
* [*] IP: firewalling
[ ] IP: firewall packet netlink device
* [*] IP: transparent proxy support
* [*] IP: masquerading
--- Protocol-specific masquerading support will be built as modules.
* [*] IP: ICMP masquerading
--- Protocol-specific masquerading support will be built as modules.
* [*] IP: masquerading special modules support
* IP: ipautofw masq support (EXPERIMENTAL)(NEW)
* IP: ipportfw masq support (EXPERIMENTAL)(NEW)
* IP: ip fwmark masq-forwarding support (EXPERIMENTAL)(NEW)
* [*] IP: masquerading virtual server support (EXPERIMENTAL)(NEW)
[*] IP Virtual Server debugging (NEW) <--最好选择此项,以便观察LVS的调试信息
* (12) IP masquerading VS table size (the Nth power of 2) (NEW)
* IPVS: round-robin scheduling (NEW)
* IPVS: weighted round-robin scheduling (NEW)
* IPVS: least-connection scheduling (NEW)
* IPVS: weighted least-connection scheduling (NEW)
* IPVS: locality-based least-connection scheduling (NEW)
* IPVS: locality-based least-connection with replication scheduling
(NEW)
* [*] IP: optimize as router not host
* IP: tunneling
IP: GRE tunnels over IP
[*] IP: broadcast GRE over IP
[*] IP: multicast routing
[*] IP: PIM-SM version 1 support
[*] IP: PIM-SM version 2 support
* [*] IP: aliasing support
[ ] IP: ARP daemon support (EXPERIMENTAL)
* [*] IP: TCP syncookie support (not enabled per default)
--- (it is safe to leave these untouched)
< > IP: Reverse ARP
[*] IP: Allow large windows (not recommended if <16Mb of memory)
< > The IPv6 protocol (EXPERIMENTAL)

上面,带*号的为必选项。然后就是常规的编译内核过程,不再赘述。

在这里要注意一点:如果你使用的是RedHat自带的内核或者从RedHat下载的内核版本,已经预先打好了LVS的补丁。这可以通过查看/usr/src/linux/net/目录下有没有几个ipvs开头的文件来判断:如果有,则说明已经打过补丁。

编写LVS配置文件,实例中的配置文件如下:

#lvs_dr.conf (C) Joseph Mack mack@ncifcrf.gov 
LVS_TYPE=VS_DR
INITIAL_STATE=on
VIP=eth0:101 192.168.0.101 255.255.255.0 192.168.0.0
DIRECTOR_INSIDEIP=eth0 192.168.0.1 192.168.0.0 255.255.255.0 192.168.0. 255
SERVICE=t telnet rr rs1:telnet rs2:telnet
SERVICE=t www rr rs1:www rs2:www
SERVER_VIP_DEVICE=dummy0
SERVER_NET_DEVICE=eth0
#----------end lvs_dr.conf------------------------------------

将该文件置于/etc/lvs目录下。

使用LVS的配置脚本产生lvs.conf文件。该配置脚本可以从http: //www.linuxvirtualserver.org/Joseph.Mack/configure-lvs_0.8.tar.gz 单独下载,在ipvs-1.0.6-2.2.19.tar.gz包中也有包含脚本configure的使用方法:

[root@vs2 lvs]# configure lvs.conf

这样会产生几个配置文件,这里我们只使用其中的rc.lvs_dr文件。修改/etc/rc.d/init.d/rc.local,增加如下几行:

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

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

# 显示最多调试信息

echo 10 > /proc/sys/net/ipv4/vs/debug_level

配置NFS服务。这一步仅仅是为了方便管理,不是必须的步骤。假设配置文件lvs.conf文件放在/etc/lvs目录下,则/etc/exports文件的内容为:

/etc/lvs ro(rs1,rs2)

然后使用exportfs命令输出这个目录:

[root@vs2 lvs]# exportfs

如果遇到什么麻烦,可以尝试:

[root@vs2 lvs]# /etc/rc.d/init.d/nfs restart

[root@vs2 lvs]# exportfs

这样,各个real server可以通过NFS获得rc.lvs_dr文件,方便了集群的配置:你每次修改lvs.conf中的配置选项,都可以即可反映在rs1,rs2的相应目录里。 修改/etc/syslogd.conf,增加如下一行: kern.* /var/log/kernel_log。这样,LVS的一些调试信息就会写入/var/log/kernel_log文件中。

Real Server的配置

Real Server的配置相对简单,主要是是以下几点:

配置telnet和WWW服务。telnet服务没有需要特别注意的事项,但是对于www服务,需要修改httpd.conf文件,使得apache在虚拟服务器的ip地址上监听,如下所示:

Listen 192.168.0.101:80

关闭Real Server上dummy0的arp请求响应能力。这是必须的,具体原因请参见 ARP problem in LVS/TUN and LVS/DR关闭dummy0的arp响应的方式有多种,比较简单地方法是,修改/etc/rc.d/rc.local文件,增加如下几行:

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/hidden 
ifconfig dummy0 up
ifconfig dummy0 192.168.0.101 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.168. 0.0 up
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/dummy0/hidden
再次修改/etc/rc.d/rc.local,增加如下一行:(可以和步骤2合并)
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

四、LVS的测试

好了,经过了上面的配置步骤,现在可以测试LVS了,步骤如下:

分别在vs1,rs1,rs2上运行/etc/lvs/rc.lvs_dr。注意,rs1,rs2上面的/etc/lvs目录是vs2输出的。如果您的 NFS配置没有成功,也可以把vs1上/etc/lvs/rc.lvs_dr复制到rs1,rs2上,然后分别运行。确保rs1,rs2上面的 apache已经启动并且允许telnet。

然后从client运行telnet 192.168.0.101,如果登录后看到如下输出就说明集群已经开始工作了。(假设以guest用户身份登录)

[guest@rs1 guest]$-----------说明已经登录到服务器rs1上。

再开启一个telnet窗口,登录后会发现系统提示变为:

[guest@rs2 guest]$-----------说明已经登录到服务器rs2上。

然后在vs2上运行如下命令:

[root@vs2 /root]ipvsadm

运行结果应该为:

IP Virtual Server version 1.0.6 (size=4096) 
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 192.168.0.101:telnet rr
-> rs2:telnet Route 1 1 0
-> rs1:telnet Route 1 1 0
TCP 192.168.0.101:www rr
-> rs2:www Route 1 0 0
-> rs1:www Route 1 0 0

至此已经验证telnet的LVS正常。然后测试一下WWW是否正常:用你的浏览器查看http://192.168.0.101/是否有什么变化?为了更明确的区别响应来自那个Real Server,可以在rs1,rs2上面分别放置如下的测试页面(test.html):

我是real server #1 or #2

然后刷新几次页面(http://192.168.0.101/test.html),如果你看到“我是real server #1”和“我是real server #2”交替出现,说明www的LVS系统已经正常工作了。

但是由于Internet Explore 或者Netscape本身的缓存机制,你也许总是只能看到其中的一个。不过通过ipvsadm还是可以看出,页面请求已经分配到两个Real Server上了,如下所示:

IP Virtual Server version 1.0.6 (size=4096) 
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 192.168.0.101:telnet rr
-> rs2:telnet Route 1 0 0
-> rs1:telnet Route 1 0 0
TCP 192.168.0.101:www rr
-> rs2:www Route 1 0 5
-> rs1:www Route 1 0 4

或者,可以采用linux的lynx作为测试客户端,效果更好一些。如下运行命令:

[root@client /root]while true; do lynx -dump 
http://10.64.1.56/test.html; sleep 1; done

这样,每隔1秒钟“我是realserver #1”和“我是realserver #2”就交替出现一次,清楚地表明响应分别来自两个不同的Real Server。

(责任编辑:云子)

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