Keepalived基本原理

本文分享自天翼云開(kāi)發(fā)者社區《Keepalived基本原理》，作者:Ujnrfc

Keepalived簡(jiǎn)介

Keepalived是Linux下一個(gè)輕量級別的高可用解決方案。高可用：廣義來(lái)講，是指整個(gè)系統的高可用行；狹義的來(lái)講就是主機的冗余和接管。

它與HeartBeat實(shí)現類(lèi)似的功能，都可以實(shí)現服務(wù)或者網(wǎng)絡(luò )的高可用，但是又有差別，HeartBeat是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的、功能完善的高可用軟件，它提供HA軟件所需的基本功能，比如：心跳檢測、資源接管，檢測集群中的服務(wù)，在集群節點(diǎn)轉移共享IP地址的所有者等等。HeartBeat功能強大，但是部署和使用相對比較麻煩，與HeartBeat相比，Keepalived主要是通過(guò)虛擬路由冗余來(lái)實(shí)現高可用功能，雖然它沒(méi)有HeartBeat功能強大，但是Keepalived部署和使用非常的簡(jiǎn)單，所有配置只需要一個(gè)配置文件即可以完成。

Keepalived起初是為L(cháng)VS設計的，專(zhuān)門(mén)用來(lái)監控集群系統中各個(gè)服務(wù)節點(diǎn)的狀態(tài)，它根據TCP/IP參考模型的第三、第四層、第五層交換機制檢測每個(gè)服務(wù)節點(diǎn)的狀態(tài)，如果某個(gè)服務(wù)器節點(diǎn)出現異常，或者工作出現故障，Keepalived將檢測到，并將出現的故障的服務(wù)器節點(diǎn)從集群系統中剔除，這些工作全部是自動(dòng)完成的，不需要人工干涉，需要人工完成的只是修復出現故障的服務(wù)節點(diǎn)。

Keepalived又加入了VRRP的功能，VRRP（VritrualRouterRedundancyProtocol,虛擬路由冗余協(xié)議)出現的目的是解決靜態(tài)路由出現的單點(diǎn)故障問(wèn)題，通過(guò)VRRP可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )不間斷穩定運行，因此Keepalvied一方面具有服務(wù)器狀態(tài)檢測和故障隔離功能，另外一方面也有HAcluster功能。

目前健康檢查和失敗切換是keepalived的兩大核心功能。所謂的健康檢查，就是采用tcp三次握手，icmp請求，http請求，udp echo請求等方式對負載均衡器后面的實(shí)際的服務(wù)器(通常是承載真實(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)器)進(jìn)行?；?；而失敗切換主要是應用于配置了主備模式的負載均衡器，利用VRRP維持主備負載均衡器的心跳，當主負載均衡器出現問(wèn)題時(shí)，由備負載均衡器承載對應的業(yè)務(wù)，從而在最大限度上減少流量損失，并提供服務(wù)的穩定性。

VRRP協(xié)議與工作原理

在現實(shí)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中。主機之間的通信都是通過(guò)配置靜態(tài)路由或者(默認網(wǎng)關(guān))來(lái)完成的，而主機之間的路由器一旦發(fā)生故障，通信就會(huì )失效，因此這種通信模式當中，路由器就成了一個(gè)單點(diǎn)瓶頸，為了解決這個(gè)問(wèn)題，就引入了VRRP協(xié)議。

VRRP協(xié)議是一種容錯的主備模式的協(xié)議，保證當主機的下一跳路由出現故障時(shí)，由另一臺路由器來(lái)代替出現故障的路由器進(jìn)行工作，通過(guò)VRRP可以在網(wǎng)絡(luò )發(fā)生故障時(shí)透明的進(jìn)行設備切換而不影響主機之間的數據通信。

虛擬路由器：虛擬路由器是VRRP備份組中所有路由器的集合，它是一個(gè)邏輯概念，并不是正真存在的。從備份組外面看備份組中的路由器，感覺(jué)組中的所有路由器就像一個(gè) 一樣，可以理解為在一個(gè)組中：主路由器+所有備份路由器=虛擬路由器。虛擬路由器有一個(gè)虛擬的IP地址和MAC地址。主機將虛擬路由器當作默認網(wǎng)關(guān)。虛擬MAC地址的格式為00-00-5E-00-01-{VRID}。通常情況下，虛擬路由器回應ARP請求使用的是虛擬MAC地址，只有虛擬路由器做特殊配置的時(shí)候，才回應接口的真實(shí)MAC地址。

主路由器（MASTER）：虛擬路由器通過(guò)虛擬IP對外提供服務(wù)，而在虛擬路由器內部同一時(shí)間只有一臺物理路由器對外提供服務(wù)，這臺提供服務(wù)的物理路由器被稱(chēng)為主路由器。一般情況下Master是由選舉算法產(chǎn)生，它擁有對外服務(wù)的虛擬IP，提供各種網(wǎng)絡(luò )功能，如：ARP請求，ICMP數據轉發(fā)等。

備份路由器（BACKUP）：虛擬路由器中的其他物理路由器不擁有對外的虛擬IP，也不對外提供網(wǎng)絡(luò )功能，僅接受MASTER的VRRP狀態(tài)通告信息，這些路由器被稱(chēng)為備份路由器。當主路由器失敗時(shí)，處于BACKUP角色的備份路由器將重新進(jìn)行選舉，產(chǎn)生一個(gè)新的主路由器進(jìn)入MASTER角色，繼續提供對外服務(wù)，整個(gè)切換對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是完全透明的。

VRRP選舉機制

VRRP路由器在運行過(guò)程中有三種狀態(tài)：Initialize、Master、Backup。一般主路由器處于Master狀態(tài)，備份路由器處于Backup狀態(tài)。

VRRP使用選舉機制來(lái)確定路由器的狀態(tài)，優(yōu)先級如下：

1.VRRP組中IP擁有者。如果虛擬IP地址與VRRP組中的某臺VRRP路由器IP地址相同，則此路由器為IP地址擁有者，這臺路由器將被定位主路由器。

2.比較優(yōu)先級。如果沒(méi)有IP地址擁有者，則比較路由器的優(yōu)先級，優(yōu)先級的范圍是0~255，優(yōu)先級大的作為主路由器

3.比較IP地址。在沒(méi)有Ip地址擁有者和優(yōu)先級相同的情況下，IP地址大的作為主路由器。

如下圖所示，虛擬IP為10.1.1.254，在VRRP組中沒(méi)有IP地址擁有者，則比較優(yōu)先級，很明顯router_a和router_b的優(yōu)先級要大于router_c，則比較router_a和router_b的IP地址，router_a的IP地址大。所以router_a為組中的主路由器。

VRRP工作過(guò)程

路由器使用VRRP 功能后，會(huì )根據優(yōu)先級確定自己在備份組中的角色。優(yōu)先級高的路由器成為Master 路由器，優(yōu)先級低的成為Backup 路由器。Master 擁有對外服務(wù)的虛擬IP，提供各種網(wǎng)絡(luò )功能，并定期發(fā)送VRRP 報文，通知備份組內的其他設備自己工作正常；Backup 路由器只接收Master 發(fā)來(lái)的報文信息，用來(lái)監控Master 的運行狀態(tài)。當Master 失效時(shí)，Backup 路由器進(jìn)行選舉，優(yōu)先級高的Backup 將成為新的Master 。

主備切換邏輯如下：在搶占方式下，當Backup 路由器收到VRRP 報文后，會(huì )將自己的優(yōu)先級與報文中的優(yōu)先級進(jìn)行比較。如果大于通告報文中的優(yōu)先級，則成為Master 路由器；否則將保持Backup狀態(tài)；在非搶占方式下，只要Master 路由器沒(méi)有出現故障，備份組中的路由器始終保持Master 或Backup 狀態(tài)，Backup 路由器即使隨后被配置了更高的優(yōu)先級也不會(huì )成為Master 路由器；如果Backup 路由器的定時(shí)器超時(shí)后仍未收到Master 路由器發(fā)送來(lái)的VRRP報文，則認為Master 路由器已經(jīng)無(wú)法正常工作，此時(shí)Backup 路由器會(huì )認為自己是Master 路由器，并對外發(fā)送VRRP報文。備份組內的路由器根據優(yōu)先級選舉出Master 路由器，承擔報文的轉發(fā)功能。

Keepalvied的工作原理

Keepalived 包含以下組件：

core：是keepalived的核心，復雜主進(jìn)程的啟動(dòng)和維護，全局配置文件的加載解析等

check：負責healthchecker(健康檢查)，包括了各種健康檢查方式，以及對應的配置的解析包括LVS的配置解析

vrrp：vrrpd子進(jìn)程，VRRPD子進(jìn)程就是來(lái)實(shí)現VRRP協(xié)議的

libipfwc：iptables(ipchains)庫，配置LVS

libipvs：配置LVS

Keepalived 啟動(dòng)后會(huì ) 通過(guò)healthchecker組件負責檢查各自服務(wù)器的健康狀態(tài)，如果MASTER節點(diǎn)上服務(wù)不可用就會(huì )通過(guò)vrrpd組件切換到BACKUP狀態(tài)。

Keepalived工作在TCP/IP參考模型的三層、四層、五層（物理層，鏈路層）：

網(wǎng)絡(luò )層（3）：Keepalived通過(guò)ICMP協(xié)議向服務(wù)器集群中的每一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ICMP數據包(有點(diǎn)類(lèi)似與Ping的功能)，如果某個(gè)節點(diǎn)沒(méi)有返回響應數據包，那么認為該節點(diǎn)發(fā)生了故障，Keepalived將報告這個(gè)節點(diǎn)失效，并從服務(wù)器集群中剔除故障節點(diǎn)。

傳輸層（4）：Keepalived在傳輸層里利用了TCP協(xié)議的端口連接和掃描技術(shù)來(lái)判斷集群節點(diǎn)的端口是否正常，比如對于常見(jiàn)的WEB服務(wù)器80端口?；蛘逽SH服務(wù)22端口，Keepalived一旦在傳輸層探測到這些端口號沒(méi)有數據響應和數據返回，就認為這些端口發(fā)生異常，然后強制將這些端口所對應的節點(diǎn)從服務(wù)器集群中剔除掉。

應用層（5）：Keepalived的運行方式也更加全面化和復雜化，用戶(hù)可以通過(guò)自定義Keepalived工作方式，例如：可以通過(guò)編寫(xiě)程序或者腳本來(lái)運行Keepalived，而Keepalived將根據用戶(hù)的設定參數檢測各種程序或者服務(wù)是否允許正常，如果Keepalived的檢測結果和用戶(hù)設定的不一致時(shí)，Keepalived將把對應的服務(wù)器從服務(wù)器集群中剔除。