Linux操作系统下的集群原理及实战经历
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。
