Linux操作系统下的集群原理及其实例解析

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。