nginx是一款非常優(yōu)秀的反向代理工具，支持請求分發(fā)，負載均衡，以及緩存等等非常實用的功能。在請求處理上，nginx采用的是epoll模型，這是一種基于事件監(jiān)聽的模型，因而其具備非常高效的請求處理效率，單機并發(fā)能力能夠達到上百萬。nginx接收到的請求可以通過負載均衡策略分發(fā)到其下一級的應用服務器，這些服務器一般是以集群方式部署的，因而在性能不足的情況下，應用服務器可以通過加機器的方式擴展流量。此時，對于一些特大型的網(wǎng)站，性能的瓶頸就來自于nginx了，因為單機的nginx的并發(fā)能力是有上限的，而nginx本身是不支持集群模式的，因而此時對nginx的橫向擴展就顯得尤為重要。
keepalived是一款服務器狀態(tài)檢測和故障切換的工具。在其配置文件中，可以配置主備服務器和該服務器的狀態(tài)檢測請求。也就是說keepalived可以根據(jù)配置的請求，在提供服務期間不斷向指定服務器發(fā)送請求，如果該請求返回的狀態(tài)碼是200，則表示該服務器狀態(tài)是正常的，如果不正常，那么keepalived就會將該服務器給下線掉，然后將備用服務器設置為上線狀態(tài)。
lvs是一款用于四層負載均衡的工具。所謂的四層負載均衡，對應的是網(wǎng)絡七層協(xié)議，常見的如HTTP協(xié)議是建立在七層協(xié)議上的，而lvs作用于四層協(xié)議上，也即：傳輸層，網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這里的傳輸層主要協(xié)議有TCP和UDP協(xié)議，也就是說lvs主要支持的方式是TCP和UDP。也正是因為lvs是處于四層負載均衡上的，因而其處理請求的能力比常見的服務器要高非常多，比如nginx的請求處理就是建立在網(wǎng)絡七層上的，lvs的負載均衡能力是nginx的十倍以上。
通過上面的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)，在特大型網(wǎng)站中，應用服務器是可以橫向擴容的，而nginx是不支持橫向擴容的，此時nginx就會成為性能瓶頸。而lvs是一款負載均衡工具，因而如果我們結(jié)合lvs和nginx，那么就可以通過部署多臺nginx服務器，通過lvs的負載均衡能力，將請求均衡的分發(fā)到各個nginx服務器上，再由nginx服務器分發(fā)到各個應用服務器，這樣，我們就實現(xiàn)了nginx的橫向擴展了。由于nginx本質(zhì)上也是一款應用服務器，因而其也有可能宕機，因而這里結(jié)合keepalived就可以實現(xiàn)nginx的故障檢測和服務切換。也就是說，通過keepalived+lvs+nginx，我們實現(xiàn)了nginx的高可用集群模式。
在上面的介紹中，我們會注意到，雖然keepalived+lvs+nginx實現(xiàn)了nginx的集群模式，但是在我們使用nginx的時候，其本身是有一個ip和端口的，默認監(jiān)聽的端口是80和443，那么lvs是如何實現(xiàn)將請求分發(fā)給具有不同ip和端口的nginx服務器的呢?這里就是通過虛擬ip實現(xiàn)的，所謂虛擬ip就是對外提供一個公共的ip，外部客戶端請求的都是這個ip，lvs在接收到虛擬ip的請求之后，通過配置的調(diào)度器和負載均衡策略，選擇一個目標nginx服務器，然后將請求轉(zhuǎn)發(fā)給該服務器。這里lvs有兩個概念，就是調(diào)度器和負載均衡策略，所謂的調(diào)度器指的是lvs將會以何種方式處理請求和響應數(shù)據(jù)，其主要有三種調(diào)度器：
Virtual Server via Network Address Translation(VS/NAT)：這種方式的主要原理是，用戶發(fā)送請求到虛擬ip上后，lvs會根據(jù)負載均衡算法選擇一個目標處理服務，然后將請求報文中的目標ip地址修改為計算得到的目標服務器，并且發(fā)送給該服務器。對于響應的報文，調(diào)度器會將目標服務器返回的響應數(shù)據(jù)中的源地址修改為虛擬ip地址。通過這種方式，對客戶端而言，其形式上面向的是一臺服務器。不過這種方式的缺點在于，所有的響應數(shù)據(jù)都需要通過調(diào)度器，如果請求量比較大的情況下，那么調(diào)度器就會成為整個系統(tǒng)的瓶頸。
Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)：這種方式主要解決的就是VS/NAT中，響應數(shù)據(jù)會經(jīng)過調(diào)度器的問題。同VS/NAT一樣 ，調(diào)度器還是會接收請求的數(shù)據(jù)，并且將報文中的目標ip修改為目標服務的ip，但是在目標服務處理完數(shù)據(jù)之后，其會直接將響應報文中的源ip修改為虛擬ip，然后將請求發(fā)送給客戶端。通過這種方式，響應數(shù)據(jù)就由各個目標服務進行了處理，而無需通過調(diào)度器進行返回，這種方式會大大提高系統(tǒng)的吞吐量，而且由于一般請求報文比響應報文小很多，調(diào)度器也只需要處理請求報文，那么系統(tǒng)的整體負載將會被均攤到各個服務器上。
Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)：這種方式相對于VS/TUN，其主要區(qū)別在于，VS/NAT是將請求報文中的ip地址修改為目標服務的ip地址，而VS/DR則是直接將請求報文中的MAC地址修改為目標地址，這種方式效率會更高，因為VS/TUN中的ip地址最終還是需要轉(zhuǎn)換為MAC地址來發(fā)送數(shù)據(jù)的。
1. 環(huán)境準備
2. 軟件安裝
在四臺虛擬機上，我們以如下方式搭建集群：
這里我們使用172.16.28.130 和172.16.28.131 兩臺機器作為lvs+keepalived 的工作機器，也就是說這兩臺機器的作用主要是進行負載均衡和故障檢測和下線的;我們使用172.16.28.132和172.16.28.133 兩臺機器作為應用服務器，主要是對外提供服務的。這四臺服務器作為整個后端集群服務，并且對外提供的虛擬ip是172.16.28.120 。需要說明的是，這里的keepalived 所檢測的服務是兩臺lvs 服務器，這兩臺服務器，一臺作為master服務器，一臺作為backup服務器，兩者在負載均衡的配置上是完全一樣的。在正常情況下，客戶端請求虛擬ip的時候，lvs 會將該請求轉(zhuǎn)發(fā)到master服務器上，然后master服務器根據(jù)配置的負載均衡策略選擇一臺應用服務器，并且將請求發(fā)送給該應用服務器進行處理。如果在某個時刻，lvs的master服務器由于故障宕機了，keepalived就會檢測到該故障，并且進行故障下線，然后將backup機器上線用于提供服務，從而實現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移的功能。
2.1 lvs+keepalived安裝
在172.16.28.130 和172.16.28.131 上安裝ipvs和keepalived：
在172.16.28.132 和172.16.28.133 上安裝nginx：
需要注意的是，在兩臺nginx服務器上需要將防火墻關閉，否則lvs+keepalived的兩臺機器就無法將請求發(fā)送到兩臺nginx服務器上來：
查看兩臺負載均衡機器是否支持lvs：
如果上述命令沒有任何結(jié)果，則執(zhí)行sudo ipvsadm 命令啟動ipvs之后，再通過上述命令進行查看即可。啟動ipvs之后，我們就可以在/etc/keepalived/ 目錄下編輯keepalived.conf 文件，我們以172.16.28.130 機器作為master機器，master節(jié)點配置如下：
上面是master節(jié)點上keepalived的配置，對于backup節(jié)點，其配置與master幾乎是一致的，只是其state和priority參數(shù)不同。如下是backup節(jié)點的完整配置：
將master和backup配置成完全一樣的原因是，在master宕機時，可以根據(jù)backup的配置進行服務的無縫切換。
在lvs+keepalived機器配置完成之后，我們下面配置兩臺應用服務器的nginx配置。這里我們是將nginx作為應用服務器，在其配置文件中配置返回狀態(tài)碼為200，并且會將當前主機的ip返回，如下是其配置：
可以看到，兩臺機器返回的文本中主機ip是不一樣的。nginx配置完成后，可以通過如下命令進行啟動：
在啟動nginx之后，我們需要配置虛擬ip，這是因為我們使用的lvs調(diào)度器是DR模式，前面我們講到過，這種模式下，對客戶端的響應是真實服務器直接返回給客戶端的，而真實服務器需要將響應報文中的源ip修改為虛擬ip，這里配置的虛擬ip就是起這個作用的。我們編輯/etc/init.d/lvsrs 文件，寫入如下內(nèi)容：
- lo：表示當前主機真實網(wǎng)卡的名稱;
- 172.16.28.120：表示虛擬ip;
編寫完成后運行該腳本文件即可。然后將兩臺lvs+keepalived機器上的keepalived服務啟動起來即可：
最后可以通過如下命令查看配置的lvs+keepalived的策略：
2.2 集群測試
根據(jù)上述步驟，我們配置完成了一個lvs+keepalived+nginx的集群。在瀏覽器中，我們可以訪問http://172.16.28.120 即可看到如下響應：
多次刷新瀏覽器之后，可以看到瀏覽器中顯示的文本切換如下，這是因為lvs的負載均衡策略產(chǎn)生的：
3. 小結(jié)
本文首先對lvs和keepalived的工作原理進行了講解，分別介紹了其工作的幾種模式，然后對lvs+keepalived+nginx搭建nginx集群的方式進行詳細講解，并且說明了其中所需要注意的問題。
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