作 者： 宿寶臣
宿寶臣 ([email protected])
山東工程學院
5月 2001 年
一 集群和Linux上的集群解決方案
集群系統(Cluster)主要解決下面幾個問題：
高可靠性（HA）。利用集群管理軟件，當主服務器故障時，備份服務器能夠自動接管主服務器的工作，並及時切換過去，以實現對用戶的不間斷服務。
高性能計算（HP）。即充分利用集群中的每一台計算機的資源，實現復雜運算的並行處理，通常用於科學計算領域，比如基因分析，化學分析等。
負載平衡。即把負載壓力根據某種算法合理分配到集群中的每一台計算機上，以減輕主服務器的壓力，降低對主服務器的硬件和軟件要求。
基於Linux的集群解決方案可謂百花齊放，具體請參見（Linux 集群大全--哪種群集適合您？）。
在實際應用中，最常見的情況是利用集群解決負載平衡問題，比如用於提供WWW服務。在這裡主要展示如何使用LVS(Linux Virtial Server)來實現實用的WWW負載平衡集群系統。
二 LVS簡介
LVS是章文嵩博士發起和領導的優秀的集群解決方案，許多商業的集群產品，比如RedHat的Piranha，TurboLinux公司的Turbo Cluster等，都是基於LVS的核心代碼的。在現實的應用中，LVS得到了大量的部署，請參考http://www.linuxvirtualserver.org/deployment.html
關於Linux LVS的工作原理和更詳細的信息，請參考http://www.linuxvirtualserver.org。
三 LVS配置實例
通過Linux LVS，實現WWW，Telnet服務的負載平衡。這裡實現Telnet集群服務僅為了測試上的方便。
LVS有三種負載平衡方式，NAT（Network Address Translation），DR（Direct Routing），IP Tunneling。其中，最為常用的是DR方式，因此這裡只說明DR(Direct Routing)方式的LVS負載平衡。
網絡拓撲結構。
如圖1所示，為測試方便，4台機器處於同一網段內，通過一交換機或者集線器相連。實際的應用中，最好能夠將虛擬服務器vs1和真實服務器rs1, rs2置於於不同的網段上，即提高了性能，也加強了整個集群系統的安全性。
服務器的軟硬件配置
首先說明，雖然本文的測試環境中用的是3台相同配置的服務器，但LVS並不要求集群中的服務器規格劃一，相反，可以根據服務器的不同配置和負載情況，調整負載分配策略，充分利用集群環境中的每一台服務器。
這3台服務器中，vs1作為虛擬服務器（即負載平衡服務器），負責將用戶的訪問請求轉發到集群內部的rs1,rs2，然後由rs1,rs2分別處理。
client為客戶端測試機器，可以為任意操作系統。
4台服務器的操作系統和網絡配置分別為：
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是允許用戶訪問的IP。
虛擬服務器的集群配置
大部分的集群配置工作都在虛擬服務器vs1上面，需要下面的幾個步驟：
重新編譯內核。
首先，下載最新的Linux內核，版本號為2.2.19，下載地址為：http://www.kernel.org/，解壓縮後置於/usr/src/linux目錄下。
其次需要下載LVS的內核補丁，地址為：http://www.linuxvirtualserver.org/software/ipvs-1.0.6-2.2.19.tar.gz。這裡注意，如果你用的Linux內核不是2.2.19版本的，請下載相應版本的LVS內核補丁。將ipvs-1.0.6-2.2.19.tar.gz解壓縮後置於/usr/src/linux目錄下。
然後，對內核打補丁，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編譯Linux的內核。特別注意以下選項：
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
* <M> IP: ipautofw masq support (EXPERIMENTAL)(NEW)
* <M> IP: ipportfw masq support (EXPERIMENTAL)(NEW)
* <M> IP: ip fwmark masq-forwarding support (EXPERIMENTAL)(NEW)
* [*] IP: masquerading virtual server support (EXPERIMENTAL)(NEW)
[*] IP Virtual Server debugging (NEW) <--最好選擇此項，以便觀察LVS的調試信息
* (12) IP masquerading VS table size (the Nth power of 2) (NEW)
* <M> IPVS: round-robin scheduling (NEW)
* <M> IPVS: weighted round-robin scheduling (NEW)
* <M> IPVS: least-connection scheduling (NEW)
* <M> IPVS: weighted least-connection scheduling (NEW)
* <M> IPVS: locality-based least-connection scheduling (NEW)
* <M> IPVS: locality-based least-connection with replication scheduling (NEW)
* [*] IP: optimize as router not host
* <M> IP: tunneling
<M> 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，帶*號的為必選項。
然後就是常規的編譯內核過程，不再贅述，請參考編譯 Linux 教程
在這裡要注意一點：如果你使用的是RedHat自帶的內核或者從RedHat下載的內核版本，已經預先打好了LVS的補丁。這可以通過查看/usr/src/linux/net/目錄下有沒有幾個ipvs開頭的文件來判斷：如果有，則說明已經打過補丁。
編寫LVS配置文件，實例中的配置文件如下：
#lvs_dr.conf (C) Joseph Mack [email protected]
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------------------------------------
將該文件置於/etc/lvs目錄下。
使用LVS的配置腳本產生lvs.conf文件。該配置腳本可以從http://www.linuxvirtualserver.org/Joseph.Mack/configure-lvs_0.8.tar.gz 單獨下載，在ipvs-1.0.6-2.2.19.tar.gz包中也有包含。
腳本configure的使用方法：
[root@vs2 lvs]# configure lvs.conf
這樣會產生幾個配置文件，這裡我們只使用其中的rc.lvs_dr文件。
修改/etc/rc.d/init.d/rc.local，增加如下幾行：
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_always_defrag
# 顯示最多調試信息
echo 10 > /proc/sys/net/ipv4/vs/debug_level
配置NFS服務。這一步僅僅是為了方便管理，不是必須的步驟。
假設配置文件lvs.conf文件放在/etc/lvs目錄下，則/etc/exports文件的內容為：
/etc/lvs ro(rs1,rs2)
然後使用exportfs命令輸出這個目錄:
[root@vs2 lvs]# exportfs
如果遇到什麼麻煩，可以嘗試：
[root@vs2 lvs]# /etc/rc.d/init.d/nfs restart
[root@vs2 lvs]# exportfs
這樣，各個real server可以通過NFS獲得rc.lvs_dr文件，方便了集群的配置:你每次修改lvs.conf中的配置選項，都可以即可反映在rs1,rs2的相應目錄裡。
修改/etc/syslogd.conf，增加如下一行： kern.* /var/log/kernel_log
這樣，LVS的一些調試信息就會寫入/var/log/kernel_log文件中.
real server的配置
real server的配置相對簡單，主要是是以下幾點：
配置telnet和WWW服務。telnet服務沒有需要特別注意的事項，但是對於www服務，需要修改httpd.conf文件，使得apache在虛擬服務器的ip地址上監聽，如下所示：
Listen 192.168.0.101:80
關閉real server上dummy0的arp請求響應能力。這是必須的，具體原因請參見ARP problem in LVS/TUN and LVS/DR（http://www.linuxvirtualserver.org/arp.html）。關閉dummy0的arp響應的方式有多種，比較簡單地方法是，修改/etc/rc.d/rc.local文件，增加如下幾行： 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：（可以和步驟2合並）
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
四 LVS的測試
好了，經過了上面的配置步驟，現在可以測試LVS了，步驟如下：
分別在vs1，rs1，rs2上運行/etc/lvs/rc.lvs_dr。注意，rs1,rs2上面的/etc/lvs目錄是vs2輸出的。如果您的NFS配置沒有成功，也可以把vs1上的/etc/lvs/rc.lvs_dr復制到rs1,rs2上，然後分別運行。
確保rs1,rs2上面的apache已經啟動並且允許telnet。
然後從client運行telnet 192.168.0.101，如果登錄後看到如下輸出就說明集群已經開始工作了:（假設以guest用戶身份登錄）
[guest@rs1 guest]$-----------說明已經登錄到服務器rs1上。
再開啟一個telnet窗口，登錄後會發現系統提示變為：
[guest@rs2 guest]$-----------說明已經登錄到服務器rs2上。
然後在vs2上運行如下命令：
[root@vs2 /root]ipvsadm
運行結果應該為： 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
至此已經驗證telnet的LVS正常。
然後測試一下WWW是否正常：用你的浏覽器查看http://192.168.0.101/是否有什麼變化？為了更明確的區別響應來自那個real server，可以在rs1,rs2上面分別放置如下的測試頁面(test.html)： <HTML>
<BODY>
我是real server #1 or #2
</BODY>
</HTML>
然後刷新幾次頁面（http://192.168.0.101/test.html），如果你看到“我是real server #1”和“我是real server #2”交替出現，說明www的LVS系統已經正常工作了。
但是由於Internet Explore 或者Netscape本身的緩存機制，你也許總是只能看到其中的一個。不過通過ipvsadm還是可以看出，頁面請求已經分配到兩個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作為測試客戶端，效果更好一些。如下運行命令：
[root@client /root]while true; do lynx -dump http://10.64.1.56/test.html; sleep 1; done
這樣，每隔1秒鐘“我是realserver #1”和“我是realserver #2”就交替出現一次，清楚地表明響應分別來自兩個不同的real server。
五 調試技巧
如果您的運氣不好，在配置LVS的過程中也許會遇到一些困難，下面的技巧或許有幫助：
首先確定網絡硬件沒有問題，尤其是網線，ping工具就足夠了。
使用netstat查看端口的活動情況。
使用tcpdump查看數據包的流動情況。
查看/var/log/kernel_log文件。
關於作者
宿寶臣([email protected])，1992年畢業於山東工程學院電氣技術專業，1997年畢業於上海交通大學自動化系，獲碩士學位，現供職於山東工程學院。自接觸Linux後，頓感相見恨晚，一見鐘情，一發而不可收拾。現主要研究Linux, Java及其在WEB上的應用，尤其熟悉Enhydra的體系結構和程序設計，企望有機會和同道者多多交流。
