摘 要： 介紹了LVS集群技術(shù)的原理、框架。以CentOS操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，描述了LVS集群的配置及實現(xiàn)過程，并對構(gòu)建的集群系統(tǒng)進(jìn)行了配置、功能和性能測試。測試結(jié)果表明，所構(gòu)建的集群系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，具有高可用性、可擴(kuò)展性和負(fù)載均衡的特性。
關(guān)鍵詞： LVS；集群；教學(xué)資源庫；負(fù)載均衡；高可用性
隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的快速擴(kuò)張，人們訪問互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)流量呈爆炸式的增長，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的并發(fā)響應(yīng)能力面臨嚴(yán)峻的考驗；同時，更多更復(fù)雜的Web事務(wù)處理也對服務(wù)器的性能提出了更高的要求。單臺的計算機(jī)提供的服務(wù)已不能勝任如此艱巨的任務(wù)，而集群技術(shù)的出現(xiàn)，則有效地解決了這一問題。
根據(jù)集群的功能、結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不同，可分為高性能集群、高可用性集群和負(fù)載均衡集群，其中負(fù)載均衡是集群技術(shù)的核心，是決定集群性能的重要因素[1]。在集群技術(shù)的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多種不同的集群技術(shù)實現(xiàn)方案，而Linux作為一種開源的操作系統(tǒng)及基于LVS實現(xiàn)的Linux集群技術(shù)，則更多地得到了人們的關(guān)注。
1 LVS集群技術(shù)
1.1 LVS簡介
LVS[2]（Linux Virtual Server，Linux虛擬服務(wù)器）是Linux操作系統(tǒng)上的一個負(fù)載均衡軟件，是在1998年由國防科技大學(xué)的章文嵩博士主持的一個在Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)的開源集群項目[3]。目前技術(shù)發(fā)展的比較成熟，已成為Linux內(nèi)核的一部分。
1.2 LVS模型
LVS提供的可伸縮網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的框架如圖1所示。IPVS軟件提供三種IP負(fù)載均衡技術(shù)，KTCPVS實現(xiàn)了基于內(nèi)容請求分發(fā)的應(yīng)用層交換?？梢岳肔VS框架實現(xiàn)高可伸縮的、高可用的Web、FTP、Mail等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，開發(fā)高可用的電子商務(wù)應(yīng)用。
LVS在兩個層次上很好實現(xiàn)了負(fù)載均衡，基于網(wǎng)絡(luò)層的IPVS和應(yīng)用層的KTCPVS內(nèi)容請求分發(fā)技術(shù)，三種負(fù)載均衡技術(shù)分別為網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換模式VS/NAT、IP隧道模式VS/TUN和直接路由模式VS/DR。
1.3 LVS的通用體系結(jié)構(gòu)[4]
在圖2所示中，負(fù)載調(diào)度器是集群調(diào)度的核心，是客戶機(jī)通過虛擬IP訪問集群系統(tǒng)的入口。多個真實服務(wù)器組成真實提供服務(wù)的服務(wù)器池，真實服務(wù)器的數(shù)目可根據(jù)需要動態(tài)添加，它們共享一個存儲區(qū)域。整個系統(tǒng)對外呈現(xiàn)一個虛擬服務(wù)器，擁有虛擬IP，用戶通過虛擬IP訪問負(fù)載調(diào)度器后，根據(jù)采用的負(fù)載均衡算法將用戶的請求調(diào)度到一個真實的內(nèi)部服務(wù)器進(jìn)行處理，多個服務(wù)器可以并行執(zhí)行用戶的請求，增加集群系統(tǒng)的整體吞吐率[5]。
CentOS5默認(rèn)安裝LVS，采用Piranha圖形界面進(jìn)行配置管理，跳動進(jìn)程Pulse是Piranha的主進(jìn)程，它負(fù)責(zé)發(fā)送和檢測節(jié)點(diǎn)之間的心跳（heartbeat）[6-7]，兩個節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送heartbeat信息到網(wǎng)絡(luò)上，指出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是活動（active）的還是非活動（inactive）的。當(dāng)LVS開始工作時，LVS進(jìn)程通過調(diào)用ipvsadm程序配置和維護(hù)內(nèi)核中的IPVS路由表，為每一個真實服務(wù)器啟動一個nanny進(jìn)程。nanny進(jìn)程可以查看服務(wù)器上配置服務(wù)的狀態(tài)，在服務(wù)故障時，通知LVS進(jìn)程，LVS進(jìn)程即可調(diào)用ipvsadm刪除IPVS中對應(yīng)的路由表項。
當(dāng)backup router通過心跳通道（heartbeat channel）沒有接收到active router的回應(yīng)時，將調(diào)用send_arp函數(shù)重新建立虛擬IP到備份結(jié)點(diǎn)MAC的映射，然后通過發(fā)送命令使active router中的LVS進(jìn)程關(guān)閉，在備份結(jié)點(diǎn)中啟動LVS進(jìn)程以恢復(fù)和配置服務(wù)器之間的連接。
2 基于LVS的集群技術(shù)在Linux內(nèi)核2.6上的實現(xiàn)[7-8]
2.1 平臺應(yīng)用背景
我院的共享型專業(yè)教學(xué)資源庫平臺建設(shè)是在近幾年學(xué)校的數(shù)字化校園建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，依托校園網(wǎng)構(gòu)建一個功能完整、形式多樣、內(nèi)容豐富的、基于Web的共享型專業(yè)教學(xué)資源庫軟件平臺，構(gòu)筑開放的教學(xué)資源環(huán)境，最大限度地滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要。為向系統(tǒng)用戶（教師和學(xué)生）提供流暢、不間斷、實時高速度的訪問服務(wù)，采用了開源Linux操作系統(tǒng)CentOS5.4，結(jié)合基于LVS的集群技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)平臺服務(wù)器。
2.2 系統(tǒng)拓?fù)?/strong>
平臺系統(tǒng)以虛擬IP向外提供服務(wù)，圖3中①、②為負(fù)載均衡主、從調(diào)度器，通過交換網(wǎng)絡(luò)與真實服務(wù)器③、④、⑤、⑥連接，平臺系統(tǒng)共享內(nèi)部存儲⑦和⑧。節(jié)點(diǎn)①和②負(fù)責(zé)把客戶請求轉(zhuǎn)發(fā)到Real Server上，當(dāng)節(jié)點(diǎn)①負(fù)載均衡器（load balance）不正常工作時，節(jié)點(diǎn)①的資源和VIP（虛擬IP）自動切換到節(jié)點(diǎn)②，整個系統(tǒng)的調(diào)度策略采用LVS/DR。共享型專業(yè)教學(xué)資源庫平臺拓?fù)淙鐖D3所示。
2.4 集群系統(tǒng)配置過程
在CentOS5.4中已集成了LVS，只需在系統(tǒng)安裝時選擇相應(yīng)的套件即可，省去了繁瑣的內(nèi)核編譯過程。
（1）按拓?fù)湟?，配置相?yīng)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并安裝所需的piranha軟件包。
#rpm-ivh piranha-0.8.4-7.el5.i386.rpm
#/etc/init.d/piranha-gui restart
（2）訪問http：//125.219.112.X：3636，進(jìn)行集群的Web界面配置。
配置包括GLOBAL SETTINGS、REDUNDANCY和VIRTUAL SERVERS，配置文檔可參考文獻(xiàn)[7]，配置完成后，信息保存到/etc/sysconfig/ha/lvs.cf文件。
?。?）把主調(diào)度器上的配置文件保存到備份調(diào)度器。
?。?）在主、從調(diào)度器上分別啟動piranha主進(jìn)程。
#service pulse restart
3 性能測試
在平臺服務(wù)器的集群功能配置完成后，為了驗證集群配置的正確性，以及是否滿足負(fù)載均衡、高可用性的要求，同時對于Web站點(diǎn)的服務(wù)器的響應(yīng)時間和吞吐量性能表現(xiàn)，做以下測試：
3.1 集群的調(diào)度測試
在圖4中，在3臺真實的Web服務(wù)器和1臺的真實FTP服務(wù)器中放置不同的首頁面，利用另一臺測試機(jī)訪問并隨機(jī)刷新http：//125.219.112.X-1或ftp：//125.219.112.X-1，查看輸出結(jié)果，測試用戶的訪問能否被調(diào)度到真實的服務(wù)器上。
驗證結(jié)果：共進(jìn)行了100次隨機(jī)訪問，其中80次訪問Web服務(wù)，20次訪問FTP服務(wù)，統(tǒng)計不同頁面的出現(xiàn)次數(shù)如表2所示。
3.2 集群可用性測試
模擬宕機(jī)情形，關(guān)閉主調(diào)度器，測試主、從調(diào)度器能否正常切換。
測試結(jié)果：在LVS工作過程中，關(guān)閉主調(diào)度器①，通過使用ping命令檢查已不能與主調(diào)度器①連通，用3.1節(jié)中方法重新測試調(diào)度，結(jié)果相同，說明在主調(diào)度器宕機(jī)過程中，從調(diào)度器已接管所有資源管理功能，等到主調(diào)度器重啟完成，再度進(jìn)行測試，仍然得到3.1節(jié)中相同的結(jié)果，說明在可用性測試中，集群的主、從調(diào)度器正常平滑切換。
3.3 壓力負(fù)載測試
JMeter[9]是Apache組織的開放源代碼項目，它是功能和性能測試的工具。對JMeter進(jìn)行測試時，使用了分布式測試技術(shù)，使用6臺測試PC，其中一臺機(jī)器作為Controller，其他的機(jī)器為Agent，在所有的機(jī)器上運(yùn)行JMeter-server.bat文件。在所有的機(jī)器上設(shè)置線程數(shù)（模擬并發(fā)用戶數(shù)），經(jīng)過統(tǒng)計，系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間和吞吐量如表3所示。
本文使用CentOS5操作系統(tǒng)，采用基于LVS/DR調(diào)度的集群技術(shù)建立了共享型專業(yè)教學(xué)資源庫平臺，并對構(gòu)建的集群進(jìn)行了配置、功能和性能測試。系統(tǒng)使用以來一直穩(wěn)定、快速、高效地向校園網(wǎng)絡(luò)用戶提供服務(wù)，從未出現(xiàn)過宕機(jī)或斷網(wǎng)故障。系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果表明，所構(gòu)建的集群系統(tǒng)具有高可用性、可擴(kuò)展性及負(fù)載均衡的特性，是安全和穩(wěn)定的集群系統(tǒng)。
集群系統(tǒng)是復(fù)雜的，可通過不同的配置改變進(jìn)行優(yōu)化[10]，最大限度地提升集群的性能，這也是下一步的研究重點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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[10] 劉玉艷，沈明玉.一種LVS負(fù)載均衡調(diào)度算法WLC的改進(jìn)[J].制造業(yè)自動化，2010，32（9）：187-191.