原理

Keepalived是一个基于VRRP协议-Virtual Router Redundancy Protocol 来实现的服务高可用方案

VRRP:

VRRP全称 Virtual Router Redundancy Protocol,即 虚拟路由冗余协议。可以认为它是实现路由器高可用的容错协议,即将N台提供相同功能的路由器组成一个路由器组(Router Group),这个组里面有一个master和多个backup,但在外界看来就像一台一样,构成虚拟路由器,拥有一个虚拟IP(vip,也就是路由器所在局域网内其他机器的默认路由),占有这个IP的master实际负责ARP相应和转发IP数据包,组中的其它路由器作为备份的角色处于待命状态。master会发组播消息,当backup在超时时间内收不到vrrp包时就认为master宕掉了,这时就需要根据VRRP的优先级来选举一个backup当master,保证路由器的高可用。

在VRRP协议实现里,虚拟路由器使用 00-00-5E-00-01-XX 作为虚拟MAC地址,XX就是唯一的 VRID (Virtual Router IDentifier),这个地址同一时间只有一个物理路由器占用。在虚拟路由器里面的物理路由器组里面通过多播IP地址 224.0.0.18 来定时发送通告消息。每个Router都有一个 1-255 之间的优先级别,级别最高的(highest priority)将成为主控(master)路由器。通过降低master的优先权可以让处于backup状态的路由器抢占(pro-empt)主路由器的状态,两个backup优先级相同的IP地址较大者为master,接管虚拟IP。

keepalived可以认为是VRRP协议在Linux上的实现,主要有三个模块,分别是core、check和vrrp。core模块为keepalived的核心,负责主进程的启动、维护以及全局配置文件的加载和解析。check负责健康检查,包括常见的各种检查方式。

keepalived工作在TCP/IP 参考模型的 三层、四层、五层,也就是分别为:网络层,传输层和应用层, Layer3,4,5 工作在IP/TCP协议栈的IP层,TCP层,及应用层,原理分别如下:

Layer3:Keepalived使用Layer3的方式工作式时,Keepalived会定期向服务器群中的服务器发送一个ICMP的数据包(既我们平时用的Ping程序),如果发现某台服务的IP地址没有激活,Keepalived便报告这台服务器失效,并将它从服务器群中剔除,这种情况的典型例子是某台服务器被非法关机。Layer3的方式是以服务器的IP地址是否有效作为服务器工作正常与否的标准。
Layer4:如果您理解了Layer3的方式,Layer4就容易了。Layer4主要以TCP端口的状态来决定服务器工作正常与否。如web server的服务端口一般是80,如果Keepalived检测到80端口没有启动,则Keepalived将把这台服务器从服务器群中剔除。
Layer7:Layer7就是工作在具体的应用层了,比Layer3,Layer4要复杂一点,在网络上占用的带宽也要大一些。Keepalived将根据用户的设定检查服务器程序的运行是否正常,如果与用户的设定不相符,则Keepalived将把服务器从服务器群中剔除。

1.选举策略

首先,每个节点有一个初始优先级,由配置文件中的priority配置项指定,MASTER节点的priority应比BAKCUP高。运行过程中keepalived根据vrrp_script的weight设定,增加或减小节点优先级。规则如下:

 当weight > 0时,vrrp_script script脚本执行返回0(成功)时优先级为priority + weight, 否则为priority。当BACKUP发现自己的优先级大于MASTER通告的优先级时,进行主从切换。
 当weight < 0时,vrrp_script script脚本执行返回非0(失败)时优先级为priority + weight, 否则为priority。当BACKUP发现自己的优先级大于MASTER通告的优先级时,进行主从切换。
当两个节点的优先级相同时,以节点发送VRRP通告的IP作为比较对象,IP较大者为MASTER。

2.priority和weight的设定

主从的优先级初始值priority和变化量weight设置非常关键,配错的话会导致无法进行主从切换。比如,当MASTER初始值定得太高,即使script脚本执行失败,也比BACKUP的priority + weight大,就没法进行VIP漂移了。
所以priority和weight值的设定应遵循: abs(MASTER priority - BAKCUP priority) < abs(weight)。一般情况下,初始值MASTER的priority值应该比较BACKUP大,但不能超过weight的绝对值。 另外,当网络中不支持多播(例如某些云环境),或者出现网络分区的情况,keepalived BACKUP节点收不到MASTER的VRRP通告,就会出现脑裂(split brain)现象,此时集群中会存在多个MASTER节点。

3.常用命令

查看当前VIP在哪个节点上: ip addr show|grep "scope global" (查看VIP是否在筛选结果中)  或者 ip addr show|grep <VIP>
查看日志tail /var/log/messages
抓包命令:tcpdump -nn vrrp
可以用这条命令来查看该网络中所存在的vrid:tcpdump -nn -i any net 224.0.0.0/8

解绑VIP:ip addr del <vip> dev <eth0>

绑定VIP:ip addr add <vip> dev <eth0>
                   +-------------+
                   |    uplink   |
                   +-------------+
                          |
                          +
    MASTER            keep|alived         BACKUP
172.101.2.100      172.101.2.99      172.101.2.101
+-------------+    +-------------+    +-------------+
|   nginx01   |----|  virtualIP  |----|   nginx02   |
+-------------+    +-------------+    +-------------+
                          |
       +------------------+------------------+
       |                                     |
+-------------+    				     +-------------+
|    web01    |    				   	 |    web02    |
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配置选项说明:

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global_defs
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    notification_email : keepalived在发生诸如切换操作时需要发送email通知地址,后面的 smtp_server 相比也都知道是邮件服务器地址。也可以通过其它方式报警,毕竟邮件不是实时通知的。
    router_id : 机器标识,通常可设为hostname。故障发生时,邮件通知会用到
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vrrp_instance
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    state : 指定instance(Initial)的初始状态,就是说在配置好后,这台服务器的初始状态就是这里指定的,但这里指定的不算,还是得要通过竞选通过优先级来确定。如果这里设置为MASTER,但如若他的优先级不及另外一台,那么这台在发送通告时,会发送自己的优先级,另外一台发现优先级不如自己的高,那么他会就回抢占为MASTER
    interface : 实例绑定的网卡,因为在配置虚拟IP的时候必须是在已有的网卡上添加的
    mcast_src_ip : 发送多播数据包时的源IP地址,这里注意了,这里实际上就是在那个地址上发送VRRP通告,这个非常重要,一定要选择稳定的网卡端口来发送,这里相当于heartbeat的心跳端口,如果没有设置那么就用默认的绑定的网卡的IP,也就是interface指定的IP地址
    virtual_router_id : 这里设置VRID,这里非常重要,相同的VRID为一个组,他将决定多播的MAC地址
    priority : 设置本节点的优先级,优先级高的为master
    advert_int : 检查间隔,默认为1秒。这就是VRRP的定时器,MASTER每隔这样一个时间间隔,就会发送一个advertisement报文以通知组内其他路由器自己工作正常
    authentication : 定义认证方式和密码,主从必须一样
    virtual_ipaddress : 这里设置的就是VIP,也就是虚拟IP地址,他随着state的变化而增加删除,当state为master的时候就添加,当state为backup的时候删除,这里主要是有优先级来决定的,和state设置的值没有多大关系,这里可以设置多个IP地址
    track_script : 引用VRRP脚本,即在 vrrp_script 部分指定的名字。定期运行它们来改变优先级,并最终引发主备切换。
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vrrp_script
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告诉 keepalived 在什么情况下切换,所以尤为重要。可以有多个 vrrp_script

    script : 自己写的检测脚本。也可以是一行命令如killall -0 nginx
    interval 2 : 每2s检测一次
    weight -5 : 检测失败(脚本返回非0)则优先级 -5
    fall 2 : 检测连续 2 次失败才算确定是真失败。会用weight减少优先级(1-255之间)
    rise 1 : 检测 1 次成功就算成功。但不修改优先级

这里要提示一下script一般有2种写法:

    通过脚本执行的返回结果,改变优先级,keepalived继续发送通告消息,backup比较优先级再决定
    脚本里面检测到异常,直接关闭keepalived进程,backup机器接收不到advertisement会抢占IP

上文 vrrp_script 配置部分,killall -0 nginx属于第1种情况,/etc/keepalived/check_nginx.sh属于第2种情况(脚本中关闭keepalived)。个人更倾向于通过shell脚本判断,但有异常时exit 1,正常退出exit 0,然后keepalived根据动态调整的 vrrp_instance 优先级选举决定是否抢占VIP:

    如果脚本执行结果为0,并且weight配置的值大于0,则优先级相应的增加
    如果脚本执行结果非0,并且weight配置的值小于0,则优先级相应的减少

其他情况,原本配置的优先级不变,即配置文件中priority对应的值。

提示:
    优先级不会不断的提高或者降低
    可以编写多个检测脚本并为每个检测脚本设置不同的weight(在配置中列出就行)
    不管提高优先级还是降低优先级,最终优先级的范围是在[1,254],不会出现优先级小于等于0或者优先级大于等于255的情况
    在MASTER节点的 vrrp_instance 中 配置 nopreempt ,当它异常恢复后,即使它 prio 更高也不会抢占,这样可以避免正常情况下做无谓的切换

以上可以做到利用脚本检测业务进程的状态,并动态调整优先级从而实现主备切换。
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virtual_server
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    虚拟服务器,来源vrrp_instance 中配置的 的虚拟IP地址,后面加空格加端口号
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virtual_server_group
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    用来定义virtual_server 组,一般在超大型的LVS中用到,一般LVS用不过这东西。