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转载:手把手让你了解linux上集群原理篇【图解】

半夏轻浅
 半夏轻浅
发布于 2014/06/27 15:01
字数 6084
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感谢作者的无私奉献   文章出处:http://freeze.blog.51cto.com/


随着Internet技术的迅猛发展,网络技术、性能的不断提高,高可伸缩性、高可用性、可管理性、价格有效性的网络服务技术将成为网络服务技术的主导。各种平台下的技术方案应运而生。本文试图以一篇完整的理论+实践性的文字来介绍如何在优秀的开源操作系统Linux下创建低成本、高性能、高可用的服务集群系统(也叫集群系统),希望通过笔者努力,让您对集群有一定的了解。

 集群的起源:

集群并不是一个全新的概念,其实早在七十年代计算机厂商和研究机构就开始了对集群系统的研究和开发。由于主要用于科学工程计算,所以这些系统并不为大家所熟知。直到Linux集群的出现,集群的概念才得以广为传播。对集群的研究起源于集群系统的良好的性能可扩展性(scalability)。提高CPU主频和总线带宽是最初提供计算机性能的主要手段。但是这一手段对系统性能的提供是有限的。接着人们通过增加CPU个数和内存容量来提高性能,于是出现了向量机,对称多处理机(SMP)等。但是当CPU的个数超过某一阈值,象SMP这些多处理机系统的可扩展性就变的极差。主要瓶颈在于CPU访问内存的带宽并不能随着CPU个数的增加而有效增长。与SMP相反,集群系统的性能随着CPU个数的增加几乎是线性变化的。

几种计算机系统的可扩展性:

集群系统的优点并不仅在于此。下面列举了集群系统的主要优点:

  1. 高可扩展性:如上所述。

  2. 高可用性:集群中的一个节点失效,它的任务可以传递给其他节点。可以有效防止单点失效。

  3. 高性能:负载平衡集群允许系统同时接入更多的用户。

  4. 高性价比:可以采用廉价的符合工业标准的硬件构造高性能的系统。

 下面笔者着重介绍前两种集群方式,也是企业中最常用的。(不是做科学研究,模拟原子弹爆炸,宇宙曲线计算等的大型项目高性能集群一般用不到)

        一、负载均衡集群    (LB:load balancing)

 笔者用一幅图为例,简单介绍下负载均衡原理:

用户通过互联网访问到某个网站时,,前端的Load Balancer(类似负载均衡器)根据不同的算法或某种特定的方式,将请求转发到后端真正的服务器(节点),后台多台服务器共同分担整个网站的压力。后台的某个节点如果有宕机,其他节点也可以提供服务,从而维持整个网站的正常运行.

 负载均衡可以针对不同的网路层次

链路聚合技术(第二层负载均衡)是将多条物理链路当作一条单一的聚合逻辑链路使用,网络数据流量由聚合逻辑链路中所有物理链路共同承担,由此在逻辑上增大了链路的容量,使其能满足带宽增加的需求.

现在经常使用的是4至7层的负载均衡。

第四层负载均衡将一个Internet上合法注册的IP地址映射为多个内部服务器的IP地址,对每次TCP连接请求动态使用其中一个内部IP地址,达到负载均衡的目的。在第四层交换机中,此种均衡技术得到广泛的应用,一个目标地址是服务器群VIP(虚拟IP,Virtual IP address)连接请求的数据包流经交换机,交换机根据源端和目的IP地址、TCP或UDP端口号和一定的负载均衡策略,在服务器IP和VIP间进行映射,选取服务器群中最好的服务器来处理连接请求。

第七层负载均衡控制应用层服务的内容,提供了一种对访问流量的高层控制方式,适合对HTTP服务器群的应用。第七层负载均衡技术通过检查流经的HTTP报头,根据报头内的信息来执行负载均衡任务。 

第七层负载均衡优点表现在如下几个方面:

1。通过对HTTP报头的检查,可以检测出HTTP400、500和600系列的错误信息,因而能透明地将连接请求重新定向到另一台服务器,避免应用层故障。

2。可根据流经的数据类型(如判断数据包是图像文件、压缩文件或多媒体文件格式等),把数据流量引向相应内容的服务器来处理,增加系统性能。

3。能根据连接请求的类型,如是普通文本、图象等静态文档请求,还是asp、cgi等的动态文档请求,把相应的请求引向相应的服务器来处理,提高系统的性能及安全性。

缺点: 第七层负载均衡受到其所支持的协议限制(一般只有HTTP),这样就限制了它应用的广泛性,并且检查HTTP报头会占用大量的系统资源,势必会影响到系统的性能,在大量连接请求的情况下,负载均衡设备自身容易成为网络整体性能的瓶颈。

实现负载均衡有两种方式:

1、硬件:

如果我们搜一搜"负载均衡",会发现大量的关于F5等负载均衡设备的内容,基于硬件的方式,能够直接通过智能交换机实现,处理能力更强,而且与系统无关,这就是其存在的理由.但其缺点也很明显:
首先是贵,这个贵不仅是体现在一台设备上,而且体现在冗余配置上.很难想象后面服务器做一个集群,但最关键的负载均衡设备却是单点配置,一旦出了问题就全趴了.
第二是对服务器及应用状态的掌握:硬件负载均衡,一般都不管实际系统与应用的状态,而只是从网络层来判断,所以有时候系统处理能力已经不行了,但网络可能还来得及反应(这种情况非常典型,比如应用服务器后面内存已经占用很多,但还没有彻底不行,如果网络传输量不大就未必在网络层能反映出来)。
所以硬件方式更适用于一大堆设备、大访问量、简单应用。

一般而言,硬件负载均衡在功能、性能上优于软件方式,不过成本昂贵。

在网站上搜索了一些硬件负载均衡设备的报价.是不是很吓人.动则几十万,贵则上百万.

可以看出,硬件设备的昂贵程度不是每个企业都可以用起的,而且实际上如果几台服务器,用F5之类的绝对是杀鸡用牛刀(而且得用两把牛刀),而用软件就要合算得多,因为服务器同时还可以跑应用,呵呵,下面来看看可以在linux平台实现负载均衡的软件。

2、软件:

软件负载均衡解决方案是指在一台或多台服务器相应的操作系统上安装一个或多个附加软件来实现负载均衡,它的优点是基于特定环境,配置简单,使用灵活,成本低廉,可以满足一般的负载均衡需求。

著名项目:开源软件 最著名的是LVS.

LVS提供了两大类负载均衡技术及其配套集群管理软件

·三种IP负载均衡技术 + IP虚拟服务器软件IPVS

·基于内容请求分发的内核Layer-7交换机KTCPVS和集群管理软件(解决后端服务器组提供不同的内容的问题)

 

★★★LVS系统结构与特点

1. Linux Virtual Server:简称LVS。是由中国一个Linux程序员章文嵩博士发起和领导的,基于Linux系统的服务器集群解决方案,其实现目标是创建一个具有良好的扩展性、高可靠性、高性能和高可用性的体系。许多商业的集群产品,比如RedHat的Piranha、 Turbo Linux公司的Turbo Cluster等,都是基于LVS的核心代码的。

2. 体系结构:使用LVS架设的服务器集群系统从体系结构上看是透明的,最终用户只感觉到一个虚拟服务器。物理服务器之间可以通过高速的 LAN或分布在各地的WAN相连。最前端是负载均衡器,它负责将各种服务请求分发给后面的物理服务器,让整个集群表现得像一个服务于同一IP地址的虚拟服务器。

3. LVS的三种模式工作原理和优缺点: Linux Virtual Server主要是在负载均衡器上实现的,负载均衡器是一台加了 LVS Patch的2.2.x版内核的Linux系统。LVS Patch可以通过重新编译内核的方法加入内核,也可以当作一个动态的模块插入现在的内核中。

功能

有实现三种IP负载均衡技术八种连接调度算法的IPVS软件。IPVS内部实现上,采用了高效的Hash函数和垃圾回收机制,能正确处理所调度报文相关的ICMP消息(有些商品化的系统反而不能)。虚拟服务的设置数目没有限制,每个虚拟服务有自己的服务器集。它支持持久的虚拟服务(如HTTP Cookie和HTTPS等需要该功能的支持),并提供详尽的统计数据,如连接的处理速率和报文的流量等。针对大规模拒绝服务(Deny of Service)攻击,实现了三种防卫策略

负载均衡器可以运行在以下三种模式下:

简单说明下图简称:以下CIP为客户端IP,VIP为服务器向外提供服务的IP,DIP为Director与内部服务器节点通信的IP,RIP为内部真实服务器的IP。

(1)Virtual Server via NAT(VS-NAT):用地址翻译实现虚拟服务器。地址转换器有能被外界访问到的合法IP地址,它修改来自专有网络的流出包的地址。外界看起来包是来自地址转换器本身,当外界包送到转换器时,它能判断出应该将包送到内部网的哪个节点。优点是节省IP 地址,能对内部进行伪装;缺点是效率低,因为返回给请求方的流量经过转换器。

整个过程如图所示:CIP为客户Client的IP,VIP为服务器对外的IP,RIP为内部真实服务器的IP

(2)Virtual Server via Direct Routing(VS-DR):用直接路由技术实现虚拟服务器。当参与集群的计算机和作为控制管理的计算机在同一个网段时可以用此法,控制管理的计算机接收到请求包时直接送到参与集群的节点。直接路由模式比较特别,很难说和什么方面相似,前2种模式基本上都是工作在网络层上(三层),而直接路由模式则应该是工作在数据链路层上(二层)。其原理 为,DR和REAL SERVER都使用同一个IP对外服务。但只有DR对ARP请求进行响应,所有REAL SERVER对本身这个IP的ARP请求保持静默。也就是说,网关会把对这个服务IP的请求全部定向给DR,而DR收到数据包后根据调度算法,找出对应的 REAL SERVER,把目的MAC地址改为REAL SERVER的MAC并发给这台REAL SERVER。这时REAL SERVER收到这个数据包,则等于直接从客户端收到这个数据包无异,处理后直接返回给客户端。由于DR要对二层包头进行改换,所以DR和REAL SERVER之间必须在一个广播域,也可以简单的理解为在同一台交换机上。

DR模式:DR模式是这样工作的,当CIP访问VIP后,VIP把数据包通过DIP转交给RIP,RIP在收到数据包后通过网卡别名欺骗(节点的网卡配置别名,IP为VIP),直接用别名的VIP相应客户端,从而加快了回应速度,也避免了Director成为地址转换的单点故障.目前主要应用的为DR模式的负载均衡.

 

(3)Virtual Server via IP Tunneling (VS-TUN):用IP隧道技术实现虚拟服务器。这种方式是在集群的节点不在同一个网段时可用的转发机制,是将IP包封装在其他网络流量中的方法。为了安全的考虑,应该使用隧道技术中的VPN,也可使用租用专线。 集群所能提供的服务是基于TCP/IP的Web服务、Mail服务、News服务、DNS服务、Proxy服务器等等.

TUN模式:采用NAT技术时,由于请求和响应报文都必须经过调度器地址重写,当客户请求越来越多时,调度器的处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题,调度器把请求报文通过IP隧道转发至真实服务器,而真实服务器将响应直接返回给客户,所以调度器只处理请求报文。由于一般网络服务应答比请求报文大许多,采用 VS/TUN技术后,集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。(通过重写ip来实现,真实服务器直接回复客户端。tun原理请参阅VPN原理!),与上图比较,注意节点的VIP和RIP的区别.

介绍完上面3种负载均衡模式,下面来看看负载均衡调度算法.

IPVS调度器实现了如下八种负载调度算法

IPVS的缺点

在基于IP负载调度技术中不会区分内容!所以就要求后端服务器提供相同的服务。而事实呢很多web应用总后端服务器都担任不同的角色,比如专门存放html的、专门存放图片的、专门存放CGI的

★★★内核Layer-7交换机KTCPVS(基于内容转发可以提高单台服务器cache的命中率)KTCPVS工作流程

在基于IP负载调度技术中,当一个TCP连接的初始SYN报文到达时,调度器就选择一台服务器,将报文转发给它。此后通过查发报文的IP和TCP报文头地址,保证此连接的后继报文被转发到该服务器。这样,IPVS无法检查到请求的内容再选择服务器,这就要求后端服务器组提供相同的服务,不管请求被发送到哪一台服务器,返回结果都是一样的。但是,在有些应用中后端服务器功能不一,有的提供HTML文档,有的提供图片,有的提供CGI,这就需要基于内容的调度 (Content-Based Scheduling)。

由于用户空间TCP Gateway的开销太大

他们提出在操作系统的内核中实现Layer-7交换方法,来避免用户空间与核心空间的切换和内存复制的开销。在Linux操作系统的内核中,我们实现了Layer-7交换,称之为KTCPVS(Kernel TCP Virtual Server)。目前,KTCPVS已经能对HTTP请求进行基于内容的调度但它还不很成熟,在其调度算法和各种协议的功能支持等方面,有大量的工作需要做。

虽然应用层交换处理复杂,它的伸缩性有限,但应用层交换带来以下好处:

 相同页面的请求被发送到同一服务器,可以提高单台服务器的Cache命中率。

一些研究[5]表明WEB访问流中存在局部性。Layer-7交换可以充分利用访问的局部性,将相同类型的请求发送到同一台服务器,使得每台服务器收到的请求具有更好的相似性,可进一步提高单台服务器的Cache命中率。

后端服务器可运行不同类型的服务,如文档服务,图片服务,CGI服务和数据库服务等。 

 

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 二、    高可用性集群   (HA:High Availability)

 

1、什么是高可用集群 

高可用集群,英文原文为High Availability Cluster,简称HA Cluster,是指以减少服务中断(如因服务器宕机等引起的服务中断)时间为目的的服务器集群技术。简单的说,集群(cluster)就是一组计算机,它们作为一个整体向用户提供一组网络资源。这些单个的计算机系统就是集群的节点(node)。

高可用集群的出现是为了使集群的整体服务尽可能可用,从而减少由计算机硬件和软件易错性所带来的损失。它通过保护用户的业务程序对外不间断提供的服务,把因软件/硬件/人为造成的故障对业务的影响降低到最小程度。如果某个节点失效,它的备援节点将在几秒钟的时间内接管它的职责。因此,对于用户而言,集群永远不会停机。高可用集群软件的主要作用就是实现故障检查和业务切换的自动化。

只有两个节点的高可用集群又称为双机热备,即使用两台服务器互相备份。当一台服务器出现故障时,可由另一台服务器承担服务任务,从而在不需要人工干预的情况下,自动保证系统能持续对外提供服务。双机热备只是高可用集群的一种,高可用集群系统更可以支持两个以上的节点,提供比双机热备更多、更高级的功能,更能满足用户不断出现的需求变化。

 

2、为什么要使用高可用集群?

先来看一组数据说明:

系统可用性分类

对于关键业务,停机通常是灾难性的。因为停机带来的损失也是巨大的。下面的统计数字列举了不同类型企业应用系统停机所带来的损失。

表 2. 停机给企业带来的损失

 

随着企业越来越依赖于信息技术,由于系统停机而带来的损失也越拉越大。

 

 高可用集群主要是在linux平台搭建的,在linux上实现高可用的解决方案有哪些:


 

笔者以最常用的heartbeat为例介绍高可用集群:

下图是一个Heartbeat集群的一般拓扑图。在实际应用中,由于节点的数目、网络结构和磁盘类型配置的不同,拓扑结构可能会有不同。

Heartbeat的组成:

Heartbeat提供了高可用集群最基本的功能,例如,节点间的内部通信方式、集群合作管理机制、监控工具和失效切换功能等。目前的最新版本是Heartbeat 2.x,这里的讲述也是以Heartbeat 2.x为主。下面介绍Heartbeat 2.0的内部组成,主要分为以下几大部分。

heartbeat:节点间通信检测模块。

ha-logd:集群事件日志服务。

CCM(Consensus Cluster Membership):集群成员一致性管理模块。

LRM(Local Resource Manager):本地资源管理模块。

Stonith Daemon:使出现问题的节点从集群环境中脱离。

CRM(Cluster Resource Management):集群资源管理模块。

Cluster policy engine:集群策略引擎。

Cluster transition engine:集群转移引擎。

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------                           三.高性能集群    (HP :High Performance )  

这种集群一般企业或者个人很少应用到,  高性能计算群集HPC。它可以解决世界上最为复杂和艰巨的计算难题,并且能够轻松处理。在气象建模、模拟撞车试验、人体基因绘图以及核爆炸模拟等多种与人类生命相关的重要领域都要用到HPC。随着其性能突飞猛进的提高和成本的急剧下降,HPC迅速走出科学研究实验室,步入主流商业领域。通过将集群和大型SMP系统的性能进行完美结合,HPC正在步入网格计算时代,它将使任何人都能随时随地、经济高效地进行计算,在商业上得到更好的应用。众多企业都被其几乎不可抗拒特性和优势所打动,并争相进行部署。除政府、教育和国家实验室等公共部门之外,HPC在制造、金融、能源、生命科学和数字媒体等行业都广受青睐。(此类集群应用有一定局限性,笔者接触不多,不做过多介绍。)

下面是一张某公司的高性能集群组成图:

 基础架构:聚合结点、网络以及存储等硬件子系统的基础设施,提供整个集群系统的供电、散热、布线等功能<登录结点:用户登录到集群的工作场所,用户通过它来完成程序的编译调试等工作
计算结点:用于执行用户程序的结点服务器。
存储结点:是挂接存储设备、向系统中的其它结点提供存储服务的服务器。
监控结点:用来监控系统各部分的运行状态、进行远程电源管理和事件告警服务等工作。
存储交换网络:用来连接存储结点和磁盘阵列。
计算网:计算结点在运行程序时的通信设施。由高速的通信网络构成,如Infiniband网络。
管理网:用于集群系统管理的网络,一般采用千兆以太网。
视频切换系统:通过它可以将选定结点机的keyboard、video和mouse重定向到监控台上,从而可以在监控台上对结点进行各种终端的操作

集群软件系统结构图:

设备系统固件层:通信软件和外部设备在适配器上的固件程序
 结点系统软件层:结点操作系统及其核心扩展,如操作系统、设备驱动程序、文件系统扩展等
 集群系统软件层:集群单一映象的操作管理软件。包括集群管理系统、集群监控系统、作业调度系统等 

应用支撑环境层:科学计算应用的支撑平台。如并行环境、数学库、多核线程调试工具等
 应用程序层:科学工程计算类的实际应用。

高性能集群笔者接触不多就不过多介绍了,笔者上传一个惠普公司的一个高性能集群案例,在附件里,要想深入了解的话可以看下。

 

这篇也忙活好多天,因为网络的问题。还好,今天总算告一段落了,下面准备写一篇在linux上实现集群的应用篇,尽请关注。如有错误的地方请指出,笔者尽快修改,多谢各位朋友多多支持,


本文转载自:http://freeze.blog.51cto.com/1846439/386132

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