Linux集群系統(tǒng)是當(dāng)代許多公司采用的解決方案，Linux服務(wù)器集群通過多臺機(jī)器連接起來，處理復(fù)雜的問題?？梢詫⑼瑯?gòu)或者異構(gòu)的計算機(jī)連接起來，協(xié)同完成特定的任務(wù)。這樣就構(gòu)成了集群。LVS是Linux virtual server的縮寫，他的意思是Linux虛擬機(jī)服務(wù)。本文主要介紹的是基于Linux下的集群系統(tǒng)。

　　LVS 集群采用IP負(fù)載均衡技術(shù)和基于內(nèi)容請求分發(fā)技術(shù)。調(diào)度器具有很好的吞吐率，將請求均衡地轉(zhuǎn)移到不同的服務(wù)器上執(zhí)行，且調(diào)度器自動屏蔽掉服務(wù)器的故障，從而將一組服務(wù)器構(gòu)成一個高性能的、高可用的虛擬服務(wù)器。整個服務(wù)器集群的結(jié)構(gòu)對客戶是透明的，而且無需修改客戶端和服務(wù)器端的程序。

　　圖1：LVS集群的體系結(jié)構(gòu)

　　為此，在設(shè)計時需要考慮系統(tǒng)的透明性、可伸縮性、高可用性和易管理性。一般來說，LVS集群采用三層結(jié)構(gòu)，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，三層主要組成部分為：

　　負(fù)載調(diào)度器(load balancer)，它是整個集群對外面的前端機(jī)，負(fù)責(zé)將客戶的請求發(fā)送到一組服務(wù)器上執(zhí)行，而客戶認(rèn)為服務(wù)是來自一個IP地址(我們可稱之為虛擬IP地址)上的。

　　服務(wù)器池(server pool)，是一組真正執(zhí)行客戶請求的服務(wù)器，執(zhí)行的服務(wù)有WEB、MAIL、FTP和DNS等。

　　共享存儲(shared storage)，它為服務(wù)器池提供一個共享的存儲區(qū)，這樣很容易使得服務(wù)器池?fù)碛邢嗤膬?nèi)容，提供相同的服務(wù)。

　　調(diào)度器是服務(wù)器集群系統(tǒng)的唯一入口點(Single Entry Point)，它可以采用IP負(fù)載均衡技術(shù)、基于內(nèi)容請求分發(fā)技術(shù)或者兩者相結(jié)合。在IP負(fù)載均衡技術(shù)中，需要服務(wù)器池?fù)碛邢嗤膬?nèi)容提供相同的服務(wù)。當(dāng)客戶請求到達(dá)時，調(diào)度器只根據(jù)服務(wù)器負(fù)載情況和設(shè)定的調(diào)度算法從服務(wù)器池中選出一個服務(wù)器，將該請求轉(zhuǎn)發(fā)到選出的服務(wù)器，并記錄這個調(diào)度;當(dāng)這個請求的其他報文到達(dá)，也會被轉(zhuǎn)發(fā)到前面選出的服務(wù)器。在基于內(nèi)容請求分發(fā)技術(shù)中，服務(wù)器可以提供不同的服務(wù)，當(dāng)客戶請求到達(dá)時，調(diào)度器可根據(jù)請求的內(nèi)容選擇服務(wù)器執(zhí)行請求。因為所有的操作都是在Linux操作系統(tǒng)核心空間中將完成的，它的調(diào)度開銷很小，所以它具有很高的吞吐率。

　　服務(wù)器池的結(jié)點數(shù)目是可變的。當(dāng)整個系統(tǒng)收到的負(fù)載超過目前所有結(jié)點的處理能力時，可以在服務(wù)器池中增加服務(wù)器來滿足不斷增長的請求負(fù)載。對大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來說，請求間不存在很強(qiáng)的相關(guān)性，請求可以在不同的結(jié)點上并行執(zhí)行，所以整個系統(tǒng)的性能基本上可以隨著服務(wù)器池的結(jié)點數(shù)目增加而線性增長。

　　共享存儲通常是數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)或者分布式文件系統(tǒng)。服務(wù)器結(jié)點需要動態(tài)更新的數(shù)據(jù)一般存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，同時數(shù)據(jù)庫會保證并發(fā)訪問時數(shù)據(jù)的一致性。靜態(tài)的數(shù)據(jù)可以存儲在網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(如NFS/CIFS)中，但網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的伸縮能力有限，一般來說，NFS/CIFS服務(wù)器只能支持3~6個繁忙的服務(wù)器結(jié)點。對于規(guī)模較大的集群系統(tǒng)，可以考慮用分布式文件系統(tǒng)，如AFS[1]、GFS[2.3]、Coda[4]和Intermezzo[5]等。分布式文件系統(tǒng)可為各服務(wù)器提供共享的存儲區(qū)，它們訪問分布式文件系統(tǒng)就像訪問本地文件系統(tǒng)一樣，同時分布式文件系統(tǒng)可提供良好的伸縮性和可用性。此外，當(dāng)不同服務(wù)器上的應(yīng)用程序同時讀寫訪問分布式文件系統(tǒng)上同一資源時，應(yīng)用程序的訪問沖突需要消解才能使得資源處于一致狀態(tài)。這需要一個分布式鎖管理器(Distributed Lock Manager)，它可能是分布式文件系統(tǒng)內(nèi)部提供的，也可能是外部的。開發(fā)者在寫應(yīng)用程序時，可以使用分布式鎖管理器來保證應(yīng)用程序在不同結(jié)點上并發(fā)訪問的一致性。

　　負(fù)載調(diào)度器、服務(wù)器池和共享存儲系統(tǒng)通過高速網(wǎng)絡(luò)相連接，如100Mbps交換網(wǎng)絡(luò)、Myrinet和Gigabit網(wǎng)絡(luò)等。使用高速的網(wǎng)絡(luò)，主要為避免當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)成為整個系統(tǒng)的瓶頸。

　　Graphic Monitor是為系統(tǒng)管理員提供整個集群系統(tǒng)的監(jiān)視器，它可以監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)。Graphic Monitor是基于瀏覽器的，所以無論管理員在本地還是異地都可以監(jiān)測系統(tǒng)的狀況。為了安全的原因，瀏覽器要通過HTTPS(Secure HTTP)協(xié)議和身份認(rèn)證后，才能進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測，并進(jìn)行系統(tǒng)的配置和管理。

1. 為什么使用層次的體系結(jié)構(gòu)

　　層次的體系結(jié)構(gòu)可以使得層與層之間相互獨(dú)立，每一個層次提供不同的功能，在一個層次可以重用不同的已有軟件。例如，調(diào)度器層提供了負(fù)載平衡、可伸縮性和高可用性等，在服務(wù)器層可以運(yùn)行不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如Web、Cache、Mail和Media等，來提供不同的可伸縮網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。明確的功能劃分和清晰的層次結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)容易建設(shè)，以后整個系統(tǒng)容易維護(hù)，而且系統(tǒng)的性能容易被擴(kuò)展。

2. 為什么是共享存儲

　　共享存儲如分布式文件系統(tǒng)在這個LVS集群系統(tǒng)是可選項。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要有相同的內(nèi)容，共享存儲是很好的選擇，否則每臺服務(wù)器需要將相同的內(nèi)容復(fù)制到本地硬盤上。當(dāng)系統(tǒng)存儲的內(nèi)容越多，這種無共享結(jié)構(gòu)(Shared-nothing Structure)的代價越大，因為每臺服務(wù)器需要一樣大的存儲空間，任何的更新需要涉及到每臺服務(wù)器，系統(tǒng)的維護(hù)代價會非常高。

　　共享存儲為服務(wù)器組提供統(tǒng)一的存儲空間，這使得系統(tǒng)的內(nèi)容維護(hù)工作比較輕松，如Webmaster只需要更新共享存儲中的頁面，對所有的服務(wù)器都有效。分布式文件系統(tǒng)提供良好的伸縮性和可用性，當(dāng)分布式文件系統(tǒng)的存儲空間增加時，所有服務(wù)器的存儲空間也隨之增大。對于大多數(shù)Internet服務(wù)來說，它們都是讀密集型(Read-intensive)的應(yīng)用，分布式文件系統(tǒng)在每臺服務(wù)器使用本地硬盤作Cache(如2Gbytes的空間)，可以使得訪問分布式文件系統(tǒng)本地的速度接近于訪問本地硬盤。

　　此外，存儲硬件技術(shù)的發(fā)展也促使從無共享的集群向共享存儲的集群遷移。存儲區(qū)域網(wǎng)(Storage Area Networks)技術(shù)解決了集群的每個結(jié)點可以直接連接/共享一個龐大的硬盤陣列，硬件廠商也提供多種硬盤共享技術(shù)，如光纖通道(Fiber Channel)、共享SCSI(Shared SCSI)。InfiniBand是一個通用的高性能I/O規(guī)范，使得存儲區(qū)域網(wǎng)中以更低的延時傳輸I/O消息和集群通訊消息，并且提供很好的伸縮性。InfiniBand得到絕大多數(shù)的大廠商的支持，如Compaq、Dell、Hewlett-Packard、IBM、Intel、Microsoft和SUN Microsystems等，它正在成為一個業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。這些技術(shù)的發(fā)展使得共享存儲變得容易，規(guī)模生產(chǎn)也會使得成本逐步降低。

3. 高可用性

　　集群系統(tǒng)的特點是它在軟硬件上都有冗余。系統(tǒng)的高可用性可以通過檢測節(jié)點或服務(wù)進(jìn)程故障和正確地重置系統(tǒng)來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)收到的請求能被存活的結(jié)點處理。

　　通常，我們在調(diào)度器上有資源監(jiān)測進(jìn)程來時刻監(jiān)視各個服務(wù)器結(jié)點的健康狀況。當(dāng)服務(wù)器對ICMP ping不可達(dá)時或者探測她的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在指定的時間沒有響應(yīng)時，資源監(jiān)測進(jìn)程通知操作系統(tǒng)內(nèi)核將該服務(wù)器從調(diào)度列表中刪除或者失效。這樣，新的服務(wù)請求就不會被調(diào)度到壞的結(jié)點。資源監(jiān)測進(jìn)程能通過電子郵件或傳呼機(jī)向管理員報告故障。一旦監(jiān)測進(jìn)程到服務(wù)器恢復(fù)工作，通知調(diào)度器將其加入調(diào)度列表進(jìn)行調(diào)度。另外，通過系統(tǒng)提供的管理程序，管理員可發(fā)命令隨時可以將新機(jī)器加入服務(wù)來提高系統(tǒng)的處理性能，也可以將已有的服務(wù)器切出服務(wù)，以便對服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。

　　現(xiàn)在前端的調(diào)度器有可能成為系統(tǒng)的單一失效點(Single Point of Failure)。一般來說，調(diào)度器的可靠性較高，因為調(diào)度器上運(yùn)行的程序較少而且大部分程序早已經(jīng)遍歷過，但我們不能排除硬件老化、網(wǎng)絡(luò)線路或者人為誤操作等主要故障。為了避免調(diào)度器失效而導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能工作，我們需要設(shè)立一個從調(diào)度器作為主調(diào)度器的備份。兩個心跳(Heartbeat)進(jìn)程[6]分別在主、從調(diào)度器上運(yùn)行，它們通過串口線和UDP等心跳線來相互定時地匯報各自的健康狀況。當(dāng)從調(diào)度器不能聽得主調(diào)度器的心跳時，從調(diào)度器通過ARP欺騙(Gratuitous ARP)來接管集群對外的Virtual IP Address，同時接管主調(diào)度器的工作來提供負(fù)載調(diào)度服務(wù)。當(dāng)主調(diào)度器恢復(fù)時，這里有兩種方法，一是主調(diào)度器自動變成從調(diào)度器，二是從調(diào)度器釋放Virtual IP Address，主調(diào)度器收回Virtual IP Address并提供負(fù)載調(diào)度服務(wù)。這里，多條心跳線可以使得因心跳線故障導(dǎo)致誤判(即從調(diào)度器認(rèn)為主調(diào)度器已經(jīng)失效，其實主調(diào)度器還在正常工作)的概論降到最低。

　　通常，當(dāng)主調(diào)度器失效時，主調(diào)度器上所有已建立連接的狀態(tài)信息將丟失，已有的連接會中斷?？蛻粜枰蛑匦逻B接，從調(diào)度器才會將新連接調(diào)度到各個服務(wù)器上，這對客戶會造成一定的不便。為此，IPVS調(diào)度器在Linux 內(nèi)核中實現(xiàn)一種高效狀態(tài)同步機(jī)制，將主調(diào)度器的狀態(tài)信息及時地同步到從調(diào)度器。當(dāng)從調(diào)度器接管時，絕大部分已建立的連接會持續(xù)下去。

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