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Linux操作系统下的集群工作原理及实战经历 -

　　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

　　通过xinetd来使用tftp服务，我的/etc/xinetd.conf文件如下

...... 
service tftp 
{ 
socket_type = dgram 
protocol = udp 
wait = yes 
user = root 
server = /usr/sbin/in.tftpd 
}

　　4) 配置PXELINUX

　　先安装syslinux软件包。可从http://www.kernel.org/pub/linux/uti……syslinux/下载。

　　将pxelinux.0拷贝到/tftpboot/目录下，然后建立/tftpboot/syslinux.cfg/目录。该目录下存放配置文件。

　　pxelinux使用ip地址的十六进制表示来作为该ip地址的配置文件的文件名。如blade01的

　　ip地址为10.10.12.131,配置文件名为0A0A0C83,内容为：

default linux 

label linux 
kernel vmlinuz 
append ip=dhcp root=/dev/nfsroot nfsroot=10.10.11.120:/remote/blade01 vga=normal

　　5) 配置nfs

　　为每个刀片建立一个根目录，在该刀片的pxelinux配置文件里指定了从这个nfs export的目录启动。

　　该根目录里应把标准的目录都建好，另外需要重新mount的usr, home, public等目录也要export。

　　我的 /etc/exports文件：

# /etc/exports: the access control list for filesystems which may be exported 
# to NFS clients. See exports(5). 

/remote/blade01 blade01(rw,async,no_root_squash) 
/remote/blade02 blade02(rw,async,no_root_squash) 
/remote/blade03 blade03(rw,async,no_root_squash) 
/remote/blade04 blade04(rw,async,no_root_squash) 
/remote/blade05 blade05(rw,async,no_root_squash) 
/remote/root *(rw,async,no_root_squash) 
/remote/home *(rw,async,no_root_squash) 
/usr *(ro,async,no_root_squash) 
/sbin *(ro,async,no_root_squash) 
/bin *(ro,async,no_root_squash) 
/lib *(ro,async,no_root_squash) 
/home *(ro,async,no_root_squash)

　　6)为每个刀片修改它的/etc/fstab文件，以blade01为例，它的nfs root是/remote/blade01

　　/remote/blade01/etc/fstab文件如下：

# /etc/fstab: static file system information. 
# 
# 
10.10.11.120:/remote/blade01 / nfs defaults,intr 0 1 
10.10.11.120:/remote/root /root nfs defaults,intr 0 1 
10.10.11.120:/remote/home /home nfs defaults,intr 0 1 
10.10.11.120:/bin /bin nfs defaults,intr 0 1 
10.10.11.120:/usr /usr nfs defaults,intr 0 1 
10.10.11.120:/sbin /sbin nfs defaults,intr 0 1 
10.10.11.120:/lib /lib nfs defaults,intr 0 1 
none /proc proc defaults,intr 0 1

　　同时还要为每个刀片修改它的网络配置文件，配置ip地址，启动两块网卡等等……

　　7) 编译内核

　　刀片用的内核，应该支持Kernel Level Auto Configuration的DHCP协议，支持NFS，支持NFS ROOT,

　　假设编译好的内核为vmlinuz,将它拷贝到/tftpboot/目录下。

　　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