Linux操作系统下的集群工作原理及实践经历

会计考友

一、集群和Linux上的集群解决方案
　　集群系统主要解决下面几个问题：
　　高可靠性（HA）
　　利用集群治理软件，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。
3 B& @5 d8 U/ a　　高性能计算（HP）
* R+ y' Z. w" J- n4 S　　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
" F5 M1 p& @1 l# {  [. X5 |4 X　　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来实现实用的WWW负载平衡集群系统。
　　二、LVS简介
4 H$ p8 W$ v# C, I　　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的工作原理和更具体的，请参考linuxvirtualserver.org/">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。
* c  a  E; d' \1 |, _: `　　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。
. ^9 v4 L5 z. D; u' t8 r　　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：
/ |' y7 n2 ]1 _* L( Q! E　　vs1: RedHat 6.2， Kernel 2.2.19
; v* l( D# |$ |& m' J; t! V　　vs1: eth0 192.168.0.1
　　vs1: eth0:101 192.168.0.101
　　rs1: RedHat 6.2， Kernel 2.2.14
0 b9 Q7 e- k7 D& Y9 G) E　　rs1: eth0 192.168.0.3
　　rs1: dummy0 192.168.0.101
0 I3 T, H+ @8 D　　rs2: RedHat 6.2， Kernel 2.2.14
& r9 [3 }, I4 Z* l0 `$ M1 ~　　rs2: eth0 192.168.0.4
　　rs2: dummy0 192.168.0.101
0 q) Q: V$ p+ h1 ^  v) d) u　　client: Windows 2000
　　client: eth0 192.168.0.200
　　其中，192.168.0.101是答应用户访问的IP。
- o' u* I3 k( x, E; Y. Q( S　　虚拟服务器的集群配置
- y. T5 J# N: _) l8 e1 p　　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：
- p! v2 z" [$ O2 K" u, M　　重新编译内核。
* p' W" ?  x) Z- y) ]1 t; E　　首先，最新的Linux内核，版本号为2.2.19，地址为：http://www.kernel.org/，解压缩后置于/usr/src/linux目录下。
, W- j0 P4 [/ F# p2 I* S* f　　其次需要LVS的内核补丁，地址为：http://www.linuxvirtualserver.org/software/ipvs- 1.0.6-2.2.19.tar.gz。这里注重，假如你用的Linux内核不是2.2.19版本的，请相应版本的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。非凡注重以下选项：
" ~2 c/ s- j4 Y  e& f4 T　　1 Code maturity level options——
　　Prompt for development and/or incomplete code/drivers
/ \. q& G7 L) D/ @2 z: A% o! z　　2 Networking部分：
　　Kernel/User netlink socket
　　Routing messages

会计考友

　　Netlink device emulation
　　Network firewalls
　　Socket Filtering
　　Unix domain sockets
- u* }6 z& U2 O7 [* r　　TCP/IP networking
　　IP: multicasting
　　IP: advanced router
! f  s* G$ V+ t　　[ ] IP: policy routing
　　[ ] IP: equal cost multipath
% K8 }+ R. ^- X/ L% j　　[ ] IP: use TOS value as routing key
0 g+ [' H$ y# Z$ T4 O. ?　　[ ] 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
( X# \- k) I% e　　—— Protocol-specific masquerading support will be built as modules.
& |$ a0 b' J2 `  R) J& ]　　IP: ICMP masquerading
　　—— Protocol-specific masquerading support will be built as modules.
' O6 i  A) W; Y* e/ r2 d5 J　　IP: masquerading special modules support
6 b% B# X: l3 b" I& Q　　IP: ipautofw masq support
　　IP: ipportfw masq support
　　IP: ip fwmark masq-forwarding support
　　IP: masquerading virtual server support
　　IP Virtual Server debugging ——最好选择此项，以便观察LVS的调试
6 j$ u7 S/ _. x; H# T: f1 b: ^% S　　IP masquerading VS table size
* g1 {2 t1 @1 i1 d$ v* L* n　　IPVS: round-robin scheduling
" ~6 X# m7 c2 O3 v! C- }& z/ r　　IPVS: weighted round-robin scheduling
$ I; |3 v; N% {2 X4 T# }& i  L　　IPVS: least-connection scheduling
　　IPVS: weighted least-connection scheduling
　　IPVS: locality-based least-connection scheduling
3 ?: L: }, R# A' B) E　　IPVS: locality-based least-connection with replication scheduling
$ C% }5 C/ ^5 N' {* Z　　IP: optimize as router not host
/ z0 Y9 N! e, q4 Q) V8 V　　IP: tunneling
" R/ f/ _, {6 A　　IP: GRE tunnels over IP
　　IP: broadcast GRE over IP
% Y  a4 w, m0 {& S0 x9 l' `　　IP: multicast routing
　　IP: PIM-SM version 1 support
( v/ R4 H/ Q; `$ |1 d5 I- C8 p　　IP: PIM-SM version 2 support
　　IP: aliasing support
! Z% Q  {0 M2 L+ x　　[ ] IP: ARP daemon support
$ t1 Q8 M% `/ r1 U4 V; D　　IP: TCP syncookie support
2 t. L0 B( d$ N& m3 j　　——
　　IP: Reverse ARP
- q$ S; Y& Z4 r2 D　　IP: Allow large windows
　　The IPv6 protocol
, g" v+ x; h  @( ?0 K  C; w　　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。
. ^- O( d5 \5 D, g　　在这里要注重一点：假如你使用的是RedHat自带的内核或者从RedHat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开头的文件来判定：假如有，则说明已经打过补丁。
) m# A6 H% J9 G* S$ {　　编写LVS配置文件，实例中的配置文件如下：
6 T$ q; j  |9 a　　#lvs_dr.conf Joseph Mack mack@ncifcrf.gov
& _4 M5 h, o- g　　LVS_TYPE=VS_DR
3 i$ H  {" h: b$ A, U　　INITIAL_STATE=on
( W( N* E& o5 b4 C
　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
, l& ^! b: {% K" [　　SERVICE=t www rr rs1:www rs2:www
; n8 y# ]' h8 B, T1 j　　SERVER_VIP_DEVICE=dummy0
5 I  u% U' l3 u- b6 Z8 j　　SERVER_NET_DEVICE=eth0
　　#——end lvs_dr.conf——
3 r9 |3 d2 {$ a( Y5 [　　将该文件置于/etc/lvs目录下。
0 @! v1 Z+ }) `2 {' V: y# a4 Q　　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，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
1 x8 p) ?, G- k　　echo 1 /proc/sys/net/ipv4/ip_always_defrag
- N& B. M+ v( M1 F! L$ c+ A　　# 显示最多调试
2 l8 y" c# r% p1 j3 ~6 O, u$ A" _　　echo 10 /proc/sys/net/ipv4/vs/debug_level
9 H- h$ k( ^: a* ]- `, S6 I" }　　配置NFS服务。这一步仅仅是为了方便治理，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
) f8 R: W6 A  h2 V  P1 {　　然后使用exportfs命令输出这个目录:
　　[root@vs2 lvs]# exportfs
　　假如碰到什么麻烦，可以尝试：
/ K8 V. [& l0 F5 R9 Z- N  S) L) E　　[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的一些调试就会写入/var/log/kernel_log文件中。

会计考友

　　Real Server的配置
& R% g9 r9 w6 \* u: `/ \' }　　Real Server的配置相对简单，主要是是以下几点：
4 }/ Z9 |( A# @　　配置telnet和WWW服务。telnet服务没有需要非凡注重的事项，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
' k' j( W7 v8 S8 \+ a　　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
8 a  b' D7 y: o: k$ J　　再次修改/etc/rc.d/rc.local，增加如下一行：（可以和步骤2合并）
6 k( m/ u- h* S$ ]& ~" I; ^# |　　echo 1 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
　　四、LVS的测试
3 a* N2 C0 W, [1 Y　　好了，经过了上面的配置步骤，现在可以测试LVS了，步骤如下：
! z) R! b# L, p& |/ W% s　　分别在vs1，rs1，rs2上运行/etc/lvs/rc.lvs_dr。注重，rs1，rs2上面的/etc/lvs目录是vs2输出的。假如您的 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已经启动并且答应telnet。
　　然后从client运行telnet 192.168.0.101，假如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：
& H- T: b+ Z# U　　[root@vs2 /root]ipvsadm
9 k, N0 H5 O/ }4 l　　运行结果应该为：
; f& z0 L9 z! L) o' c　　IP Virtual Server version 1.0.6
　　Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
8 o0 W9 h5 e+ ]' K! A' F5 i　　- RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
8 b1 Q# @8 P( ?& Z　　TCP 192.168.0.101:telnet rr
9 b, _# n2 x+ ^& q3 p( H" C　　- rs2:telnet Route 1 1 0
　　- rs1:telnet Route 1 1 0
　　TCP 192.168.0.101:www rr
0 y8 [7 h' H# H( t' P1 ]: R% m& O　　- rs2:www Route 1 0 0
　　- rs1:www Route 1 0 0
& B; P5 O2 m+ d" H- T' d) Y　　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：
. |. \% |7 y1 K9 D0 d　　我是real server #1 or #2
　　然后刷新几次页面（http://192.168.0.101/test.html），假如你看到“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
　　Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
; R4 W" S4 R1 d4 j　　- RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
. l* N( Y2 `! g6 h* t6 ]6 U　　TCP 192.168.0.101:telnet rr
　　- rs2:telnet Route 1 0 0
. u) [  @0 I. q! c　　- rs1:telnet Route 1 0 0
　　TCP 192.168.0.101:www rr
　　- rs2:www Route 1 0 5
# O) D' G  C9 Z: F7 t3 n* s8 K　　- 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：
5 x2 q, y  c- |; V- {　　[root@client /root]while true; do lynx -dump
　　http://10.64.1.56/test.html; sleep 1; done
% Z" x! N. h/ n: {1 @' l　　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。