摘 要： 介紹了LVS集群技術的原理、框架。以CentOS操作系統為基礎，描述了LVS集群的配置及實現過程，并對構建的集群系統進行了配置、功能和性能測試。測試結果表明，所構建的集群系統穩定、可靠，具有高可用性、可擴展性和負載均衡的特性。
關鍵詞： LVS；集群；教學資源庫；負載均衡；高可用性
隨著互聯網規模的快速擴張，人們訪問互聯網的業務流量呈爆炸式的增長，網絡服務器的并發響應能力面臨嚴峻的考驗；同時，更多更復雜的Web事務處理也對服務器的性能提出了更高的要求。單臺的計算機提供的服務已不能勝任如此艱巨的任務，而集群技術的出現，則有效地解決了這一問題。
根據集群的功能、結構和技術的不同，可分為高性能集群、高可用性集群和負載均衡集群，其中負載均衡是集群技術的核心，是決定集群性能的重要因素[1]。在集群技術的發展過程中，出現了許多種不同的集群技術實現方案，而Linux作為一種開源的操作系統及基于LVS實現的Linux集群技術，則更多地得到了人們的關注。
1 LVS集群技術
1.1 LVS簡介
LVS[2]（Linux Virtual Server，Linux虛擬服務器）是Linux操作系統上的一個負載均衡軟件，是在1998年由國防科技大學的章文嵩博士主持的一個在Linux操作系統上開發的開源集群項目[3]。目前技術發展的比較成熟，已成為Linux內核的一部分。
1.2 LVS模型
LVS提供的可伸縮網絡服務的框架如圖1所示。IPVS軟件提供三種IP負載均衡技術，KTCPVS實現了基于內容請求分發的應用層交換。可以利用LVS框架實現高可伸縮的、高可用的Web、FTP、Mail等網絡服務，開發高可用的電子商務應用。
LVS在兩個層次上很好實現了負載均衡，基于網絡層的IPVS和應用層的KTCPVS內容請求分發技術，三種負載均衡技術分別為網絡地址轉換模式VS/NAT、IP隧道模式VS/TUN和直接路由模式VS/DR。
1.3 LVS的通用體系結構[4]
在圖2所示中，負載調度器是集群調度的核心，是客戶機通過虛擬IP訪問集群系統的入口。多個真實服務器組成真實提供服務的服務器池，真實服務器的數目可根據需要動態添加，它們共享一個存儲區域。整個系統對外呈現一個虛擬服務器，擁有虛擬IP，用戶通過虛擬IP訪問負載調度器后，根據采用的負載均衡算法將用戶的請求調度到一個真實的內部服務器進行處理，多個服務器可以并行執行用戶的請求，增加集群系統的整體吞吐率[5]。
CentOS5默認安裝LVS，采用Piranha圖形界面進行配置管理，跳動進程Pulse是Piranha的主進程，它負責發送和檢測節點之間的心跳（heartbeat）[6-7]，兩個節點周期性地發送heartbeat信息到網絡上，指出當前節點是活動（active）的還是非活動（inactive）的。當LVS開始工作時，LVS進程通過調用ipvsadm程序配置和維護內核中的IPVS路由表，為每一個真實服務器啟動一個nanny進程。nanny進程可以查看服務器上配置服務的狀態，在服務故障時，通知LVS進程，LVS進程即可調用ipvsadm刪除IPVS中對應的路由表項。
當backup router通過心跳通道（heartbeat channel）沒有接收到active router的回應時，將調用send_arp函數重新建立虛擬IP到備份結點MAC的映射，然后通過發送命令使active router中的LVS進程關閉，在備份結點中啟動LVS進程以恢復和配置服務器之間的連接。
2 基于LVS的集群技術在Linux內核2.6上的實現[7-8]
2.1 平臺應用背景
我院的共享型專業教學資源庫平臺建設是在近幾年學校的數字化校園建設成果的基礎上，依托校園網構建一個功能完整、形式多樣、內容豐富的、基于Web的共享型專業教學資源庫軟件平臺，構筑開放的教學資源環境，最大限度地滿足學生自主學習的需要。為向系統用戶（教師和學生）提供流暢、不間斷、實時高速度的訪問服務，采用了開源Linux操作系統CentOS5.4，結合基于LVS的集群技術，構建系統平臺服務器。
2.2 系統拓撲
平臺系統以虛擬IP向外提供服務，圖3中①、②為負載均衡主、從調度器，通過交換網絡與真實服務器③、④、⑤、⑥連接，平臺系統共享內部存儲⑦和⑧。節點①和②負責把客戶請求轉發到Real Server上，當節點①負載均衡器（load balance）不正常工作時，節點①的資源和VIP（虛擬IP）自動切換到節點②，整個系統的調度策略采用LVS/DR。共享型專業教學資源庫平臺拓撲如圖3所示。
2.4 集群系統配置過程
在CentOS5.4中已集成了LVS，只需在系統安裝時選擇相應的套件即可，省去了繁瑣的內核編譯過程。
（1）按拓撲要求，配置相應服務器的網絡參數，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[7]，配置完成后，信息保存到/etc/sysconfig/ha/lvs.cf文件。
（3）把主調度器上的配置文件保存到備份調度器。
（4）在主、從調度器上分別啟動piranha主進程。
#service pulse restart
3 性能測試
在平臺服務器的集群功能配置完成后，為了驗證集群配置的正確性，以及是否滿足負載均衡、高可用性的要求，同時對于Web站點的服務器的響應時間和吞吐量性能表現，做以下測試：
3.1 集群的調度測試
在圖4中，在3臺真實的Web服務器和1臺的真實FTP服務器中放置不同的首頁面，利用另一臺測試機訪問并隨機刷新http：//125.219.112.X-1或ftp：//125.219.112.X-1，查看輸出結果，測試用戶的訪問能否被調度到真實的服務器上。
驗證結果：共進行了100次隨機訪問，其中80次訪問Web服務，20次訪問FTP服務，統計不同頁面的出現次數如表2所示。
3.2 集群可用性測試
模擬宕機情形，關閉主調度器，測試主、從調度器能否正常切換。
測試結果：在LVS工作過程中，關閉主調度器①，通過使用ping命令檢查已不能與主調度器①連通，用3.1節中方法重新測試調度，結果相同，說明在主調度器宕機過程中，從調度器已接管所有資源管理功能，等到主調度器重啟完成，再度進行測試，仍然得到3.1節中相同的結果，說明在可用性測試中，集群的主、從調度器正常平滑切換。
3.3 壓力負載測試
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進行測試時，使用了分布式測試技術，使用6臺測試PC，其中一臺機器作為Controller，其他的機器為Agent，在所有的機器上運行JMeter-server.bat文件。在所有的機器上設置線程數（模擬并發用戶數），經過統計，系統的平均響應時間和吞吐量如表3所示。
本文使用CentOS5操作系統，采用基于LVS/DR調度的集群技術建立了共享型專業教學資源庫平臺，并對構建的集群進行了配置、功能和性能測試。系統使用以來一直穩定、快速、高效地向校園網絡用戶提供服務，從未出現過宕機或斷網故障。系統的應用結果表明，所構建的集群系統具有高可用性、可擴展性及負載均衡的特性，是安全和穩定的集群系統。
集群系統是復雜的，可通過不同的配置改變進行優化[10]，最大限度地提升集群的性能，這也是下一步的研究重點。
參考文獻
[1] 涂俊英.一種改進的Linux集群系統負載均衡算法[J].微電子學與計算機，2012，31（3）：106-109.
[2] Xu Yang， Xie Xiaoyao， Xia Daoxun. Research and design on LVS cluster system[M/CD]. 2009.
[3] Linux服務器集群系統[EB/OL].http：//www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs1.html，2003.
[4] 劉惠.基于LVS集群動態調度的研究與實現[D].安徽：安徽大學，2012.
[5] 王東煜，張佳樂.基于Linux集群系統的并行通信性能研究[J].電子技術應用，2012，38（6）：111-113.
[6] 張永立，胡杰，張根寶.Linux集群心跳檢測方法的研究與實現[J].化工自動化及儀表，2010（6）：82-84.
[7] CentOS 5 Document[EB/OL]. http：//www.centos.org/docs/5/html/5.2/2008.5.
[8] 張帆，袁道華，葉振，等.基于Linux的服務器集群系統設計及實現[J].計算機工程與應用，2006（5），127-131.
[9] Apache Jmeter[EB/OL]. http：//jmeter.apache.org/，2013.
[10] 劉玉艷，沈明玉.一種LVS負載均衡調度算法WLC的改進[J].制造業自動化，2010，32（9）：187-191.