在RedHat上实现集群负载均衡系统

负载均衡集群是在应用服务器高负载的情况下，由多台节点提供可伸缩的，高负载的服务器组以保证对外提供良好的服务响应；而LVS就是实现这一功能的技术，它通过使内核支持ipvs来实现LVS/Direct Routing (DR)、LVS/IP Tunnel、LVS/NAT的功能。 
1．前言 
先来简单说说负载均衡集群, 它是在应用服务器高负载的情况下，由多台节点提供可伸缩的，高负载的服务器组以保证对外提供良好的服务响应；而LVS就是实现这一功能的技术，它通过使内核支持ipvs来实现LVS/Direct Routing (DR)、LVS/IP Tunnel、LVS/NAT的功能。由于本文的着眼点在于如何利用LVS构建一个负载均衡集群，所以关于负载均衡集群、LVS的详细内容就不在这里阐述了,如果大家有兴趣可参考如下信息： 
http://www.linuxvirtualserver.org/ LVS的官方网站 
http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/linux/cluster/lvs/part1/index.shtml LVS项目介绍 
RedHat 7.3/8.0都把ipvs预先编译到了RedHat发行版的内核中，但使用的ipvs版本比较低是ipvs 0.9.7/1.0.4,从RedHat 9开始ipvs不再被预先编译到了RedHat发行版的内核中，本文介绍了如何把最新版的ipvs Version 1.0.9编译到内核中并配置负载均衡集群的方法和一些技巧。 
不论是在哪个版本的RedHat Linux上安装ipvs，工作大都可以分为如下几步： 

图1给出了最简单的负载均衡集群的网络拓扑，这里需要指出的是以上提到的安装ipvs/ipvsadm的工作都是在Director上进行的。 
 
图 1
2．在RedHat Linux上实现ipvs 
在RedHat 7.3/8.0已经预先打了ipvs的补丁，在预安装的内核中已将ipvs编译成模块，如果你能在目录/lib/modules/2.4.18- */kernel/net/ipv4/ipvs中看到ip_vs_*文件，就证明你的系统已经支持ipvs,可以通过如下步骤安装ipvsadm并配置转发方式。 

但系统预编译的ipvs是比较早的版本（version 0.9.7/1.0.4），本文把它升级到最新的版本Version 1.0.9。 
2．1得到内核源码和相关的软件包 
这里需要强调的是由于RedHat 7.3/8.0的内核源码中已经预先打了ipvs的补丁，所以在安装ipvs时不能使用RedHat光盘中的Kernel Source，而是需要去下载标准的内核。对于RedHat 9.0，虽然内核中没有预编译ipvs，但我还是提倡使用standard kernel，因为所有的ipvs的补丁包都是为标准内核开发的。从kernel ftp site得到standard kernel linux-2.4.18.tar.gz（RedHat 7.3/8.0）, linux-2.4.20.tar.gz (RedHat 9.0), 从lvs homepage 得到ipvs-1.0.9.tar.gz、ipvsadm-1.21.tar.gz。(在下面的阐述中都以内核linux-2.4.18.tar.gz为例，对于内核linux-2.4.20.tar.gz做法是完全相同的) 
2．2把ipvs补丁Patch到内核源码中 
把linux-2.4.18.tar.gz解压到/usr/src目录，生成了/usr/src/linux目录；如果生成的是 /usr/src/linux-2.4.18*目录，则要在/usr/src下建立一个连接 ln –s linux-2.4.18* linux，因为在ipvs-1.0.9中的makefile文件中默认指定Kernel Source的路径为：KERNELSOURCE = /usr/src/linux（当然，如果您直接修改makefile中的KERNELSOURCE值，使它指向源码的目录也可以）。 
把ipvs-1.0.9.tar.gz解压缩到某个目录，如/usr/src/source，生成了 /usr/src/source/ipvs-1.0.9目录；进入/usr/src/source/ipvs-1.0.9，依次执行如下命令：make patchkernel、make installsource,将ipvs的Patch加载到kernel的source中。当然您也可以用linux-2.4.20-ipvs- 1.0.9.patch.gz直接patch到内核中，在/usr/src执行 gzip -cd linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch.gz，然后进入/usr/src/linux执行patch -p1 < ../linux-2.4.20-ipvs-1.0.9.patch 
2．3重新编译支持ipvs的内核 
进入/usr/src/linux目录，分别执行： 
make mrproper 为创建新的内和配置做好准备 
make menuconfig 进行配置 
主界面–>Networking options选项–>IP:Virtual Server Configuration选项（如图2 图3） 
IP:Virtual Server Configuration中的选项设定都用M 
make dep 检测是否有相关的软件包被使用 
make clean 为新内核结构准备源目录树 
make bzImage 创建内核引导映像 
make modules、make modules_install 生成模块 
 
图2 
 
图3
注意的问题：如果使用Standard Kernel,在make menuconfig时可能在Networking options选项中找不到IP:Virtual Server Configuration选项，这是因为没有选中Network packet filtering选项，如图 4 
 
图 4
IP:Virtual Server Configuration选项是基于Network packet filtering选项的。 
技巧：在make menuconfig时，我们面对众多的选项常常不知道该如何选择，此时可以把安装时的配置文件copy到/usr/src/linux中：cp /boot/config-2.4.* /usr/src/linux/.config,再用make menuconfig编译，它会读取.config中原来的配置信息，这样只要对IP:Virtual Server Configuration中的新选项选择即可。 
2．4启用新内核 
mkinitrd /boot/initrd-2.4.18ipvs.img 2.4.18 创建initrd映像 
cp /usr/src/linux/arch/i386/boot/bzImage /boot/vmlinuz-2.4.18ipvs 
cd /boot 
rm vmlinuz 
ln –s vmlinuz-2.4.18ipvs vmlinuz 
cp /usr/src/linux/System.map /boot/System.map-2.4.18ipvs 
cd /boot 
rm System.map 
ln –s System.map-2.4.18ipvs System.map 
vi /etc/lilo.conf 
添加启动选项： 
image=/boot/vmlinuz-2.4.18ipvs 
label=linux-ipvs 
initrd=/boot/initrd-2.4.18ipvs.img 
read-only 
root=/dev/hda3 
lilo 
然后重新启动，选择新内核就可支持最新的ipvs 
2．5安装ipvs管理工具ipvsadm 
当使用了支持ipvs的内核后，就可以安装ipvsadm，ipvsadm是设置ipvs转发方式和调度算法的工具 
tar xzvf ipvsadm-1.21.tar.gz 
cd ./ipvsadm-1.21 
make 
make install 
安装完成后，执行ipvsadm命令，如果有如下信息出现则说明安装成功了。 

到现在为止，支持负载均衡功能的director就配置成功了，接下来我们可以通过ipvsadm来配置一个负载均衡集群。

3．配置LVS，构建负载均衡集群 
LVS提供了三种转发方式：VS/NAT、VS/DR 、VS/TUN， 而不同的转发方式对后端的realserver要求也不同（如表1） 

表 1 
 

构建负载均衡集群的工作主要涉及三个方面（如图5）： 

 
 
图 5

3．1修正realserver上可能的arp problem 
注意的问题：这里所说的修正系统的arp problem主要是针对realserver使用linux操作系统，而且转发方式为VS/DR和VS/TUN的情况。这是因为在使用VS/DR和 VS/TUN的时候，会需要一块网卡上绑定两个IP的情况，但linux在kernel 2.2.14以后就将eth0:1的NOARP FLAG关闭，这使得eth0:1仅仅是eth0的别名，任何对eth0:1的操作都对eth0有效，因此如果此时使eth0:1 NOARP，则也使得eth0 NOARP,这样整个网卡都不会收到数据包，所以要修正系统的arp problem，使eth0:1不响应arp请求，同时eth0仍能接受数据包。有关Arp问题的详细内容请参见：LVS-HOWTO-arp problem。 
由表1可以看出对应不同的转发方式，realserver上可以使用的操作系统也是不同的，而linux和windows 2000 server则是所有转发方式都支持的操作系统，作者在本文中也是分别以这两种操作系统为例予以介绍。 
修正realserver上可能的arp problem时，根据转发方式和操作系统的不同分为如下几种情况： 
3．1．1 VS/NAT方式 
不论操作系统选择linux还是windows 2000 server，对系统不需要做任何修改。 
3．1．2 VS/DR和VS/TUN方式 
realserver使用linux操作系统，对系统的修改如下： 
1） 下载所需的软件包 
从kernel ftp site得到standard kernel linux-2.4.18.tar.gz,；从Julian’s patches and software page得到hidden-2.4.5-1.diff 
2）重新编译内核，修正arp problem 
把linux-2.4.18.tar.gz解压倒/usr/src目录，生成了 /usr/src/linux目录；(如果生成的是/usr/src/linux-2.4.18*目录，则要在/usr/src下建立一个连接 ln –s linux-2.4.18* linux) 
把hidden-2.4.5-1.diff放到/usr/src/linux下，用命令patch -p1 < hidden-2.4.5-1.diff对kernel进行patch 
进入/usr/src/linux目录，依次执行make mrproper、make menuconfig(可以把安装时的配置文件copy到/usr/src/linux中：cp /boot/config-2.4.* /usr/src/linux/.config,再编译)、make dep、 make clean、make bzImage、make modules、make modules_install 
3）启用新内核（与2.4节相同） 
realserver使用windows 2000 server操作系统 
不需对系统本身作修改，但要在配置时（图5中步骤③）屏蔽arp响应,具体方法在3.2.2中介绍。 
3．2 配置LVS 
对LVS的配置分为在director上的设置和在realserver上的设置，而对于不同的转发方式：VS/NAT、VS/DR 、VS/TUN，这些设置也有所不同。

3．2．1使用VS/NAT方式 
1)网络拓扑(如图6) 
 
图6

2）Director上执行的设置（以Telnet服务, 轮叫(rr)策略为例） 
 
3）Realserver上的设置 
⑴使用Linux操作系统，执行如下命令 
 
⑵使用windows 2000 server操作系统，则只要把默认网关设置成192.168.1.9 
3．2．2使用VS/DR方式 
1)网络拓扑（如图7） 

 
图7

2）Director上执行的设置（以Telnet服务, 轮叫(rr)策略为例） 
 
3）Realserver上的设置 
⑴使用Linux操作系统（patch过hidden-2.4.5-1.diff），执行如下命令 
 
⑵使用windows 2000 server操作系统 
 
3．2．3使用VS/TUN方式 
1)网络拓扑（如图8） 

 
图 8

2）Director上执行的设置（以Telnet服务, 轮叫(rr)策略为例） 
 
3）Realserver上的设置 
⑴使用Linux操作系统（patch过hidden-2.4.5-1.diff），执行如下命令 
 
⑵使用windows 2000 server操作系统 
 
技巧：在上文设置过程中给出的命令都可以改写成符合init语法的标准脚本，并加入到/etc/init.d/rc.local中，这样在每次系统启动时都可以自动运行进行设置了。 
4．总结 
本文中所讨论的负载均衡其实只是集群应用中的一个方面，其它的集群应用还包括高性能计算集群、高可用性集群等，而每种应用都涉及到很多具体的技术，希望能和大家共同交流，一同推动集群技术的应用和发展。