基于VIP的Keepalived 高可用架構是怎么樣的

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1. Keepalived 簡介

1. keepalived 的作用

• Keepalived 的作用是檢測服務器的狀態。如果有一臺 web 服務器宕機，或工作出現故障，Keepalived 將檢測到，并將有故障的服務器從系統中剔除，同時使用其他服務器代替該服務器的工作，當服務器工作正常后 Keepalived 自動將服務器加載到服務器群中，這些工作全部自動完成，不需要人工干涉，需要人工做的只是修復故障的服務器。

2. Keepalived 的特性

• 配置文件簡單：配置文件比較簡單，可通過簡單配置實現高可用功能。

• 穩定性強：keepalived 是一個類似于 layer3/4/7 交換機機制的軟件，具備我們平時說的第 3 層、第 4 層和第 7 層交換機的功能，常用于前端負載均衡器的高可用服務，當主服務器出現故障時，可快速進行切換，監測機制靈活，成功率高。

• 成本低廉：開源軟件，可直接下載配置使用，沒有額外費用。

• 應用范圍廣：因為 keepalived 可應用在多個層面，所以它幾乎可以對所有應用做高可用，包括 LVS、數據庫、http 服務、nginx 負載均衡等等。

• 支持多種類型：支持主從模式、主主模式高可用，可根據業務場景靈活選擇。

2. Keepalived 工作原理

1. Keepalived 內部工作分為以下幾個部分

• WatchDog 監控 checkers 和 VRRP 進程的狀況。

• Checkers 負責真實服務器的健康檢查 healthchecking。

• VRRP Stack 負責負載均衡器之間的失敗切換。

• IPVS wrapper 用來發送設定的規則到內核 IPVS 代碼。

• Netlink Reflector 用來設定 vrrp 的 vip 地址等。

2. VRRP 協議

• Keepalived 是以 VRRP 協議為實現基礎的，VRRP 全稱 Virtual Router Redundancy Protocol，即虛擬路由冗余協議。

• VRRP 根據優先級來確定虛擬路由器中每臺路由器的角色（Master 路由器或 Backup 路由器）。VRRP 優先級的取值范圍為 0 到 255（數值越大表明優先級越高），可配置的范圍是 1 到 254，優先級 0 為系統保留給路由器放棄 Master 位置時候使用，255 則是系統保留給 IP 地址擁有者使用。優先級越高，則越有可能成為 Master 路由器。當兩臺優先級相同的路由器同時競爭 Master 時，比較接口 IP 地址大小。接口地址大者當選為 Master。

3. 主要模塊

• core 模塊：keepalived 的核心，負責主進程的啟動、維護以及全局配置文件的加載和解析。

• check 模塊：負責健康檢查，包括各種常見的檢查方式。

• vrrp 模塊：是來實現 VRRP 協議的。

3. Keepalived 應用場景

1. 在網絡層、數據鏈路層，運行著 4 個重要的協議

• IP：互聯網協議。

• ICMP：互聯網控制報文協議。

• ARP：地址轉換協議。

• RARP：反向地址轉換協議。

2. 網絡層場景

• Keepalived 在網絡層采用的最常見的工作方式是通過 ICMP 協議向服務器集群中的那個節點發送一個 ICMP 數據包（類似于 ping 實現的功能），如果某個節點沒有返回響應數據包，那么認為此節點發生了故障，Keepalived 將報告此節點失效，并從服務器集群中剔除故障節點。

3. 傳輸層場景

• 在傳輸層，提供了兩個主要的協議：傳輸控制協議 TCP 和用戶數據協議 UDP。傳輸控制協議 TCP 可以提供可靠的數據傳輸服務、IP 地址和端口代表 TCP 的一個連接端。要獲得 TCP 服務，需要在發送機的一個端口上和接收機的一個端口上建立連接。

• Keepalived 在傳輸層就是利用 TCP 協議的端口連接和掃描技術來判斷集群點是否是正常的。比如，對于常見的 WEB 服務默認的 80 端口、SSH 服務默認的 22 端口等，Keepalived 一旦在傳輸層探測到這些端口沒有響應數據返回，就認為這些端口發生異常，然后強制將此端口對應的節點從服務器集群組中移除。

4. 應用層場景

• 在應用層，可運行 FTP、TELNET、HTTP、DNS 等各種不同類型的高層協議。

• Keepalived 在應用層的運行方式也更加全面化和復雜化，用戶可以通過自定義 Keepalived 的工作方式；例如：用戶可以通過編寫程序來運行 keepalived。而 keepalived 將根據用戶的設定檢測各種程序或服務是否運行正常，如果 Keepalived 的檢測結果與用戶設定不一致時，Keepalived 將把對應的服務從服務器中移除。

4. 集群

• 集群是一組相互獨立的、通過高速網絡互連的計算機，它們構成了一個組，并以單一系統的模式加以管理。一個客戶與集群相互作用時，集群像是一個獨立的服務器。

• 通過集群技術，可以在付出較低成本的情況下獲得在性能、可靠性、靈活性方面的相對較高的收益，其任務調度則是集群系統中的核心技術。

• 集群組成后，可以利用多個計算機和組合進行海量請求處理（負載均衡），從而獲得很高的處理效率，也可以用多個計算機做備份（高可用），使得任何一個計算機壞了整個系統還是能正常運行。集群在目前互聯網公司是必備的技術，極大提高互聯網業務的可用性和可縮放性。

5. 高可用

• HA（High Available），高可用性集群是通過系統的可靠性（reliability）和維護性（maintainability）來度量的。

• 工程上，通常用平均無故障時間（MTTF）來度量系統的可靠性，用平均維修時間（MTTR）來度量系統的可維護性。于是可用性被定義為：HA=MTTF/(MTTF+MTTR)*100%（平均無故障時間/總時間，總時間=平均無故障時間+平均維修時間）。

• 具體 HA（可用性）衡量標準：

• 99% 一年宕機時間不超過 4 天。

• 99.9% 一年宕機時間不超過 10 小時。

• 99.99% 一年宕機時間不超過 1 小時。

• 99.999% 一年宕機時間不超過 6 分鐘。

6. 高可用集群實現

• 高可用工作方式

• 主從方式（非對稱方式）

• 雙機雙工方式（互備互援）

• 集群工作方式（多服務器互備方式）

• 高可用的資源分類

• 網絡高可用（用戶 -> 機房、機房內網）

• 服務器高可用（CPU、內存、磁盤）

• 存儲高可用（關系型數據庫、分布式緩存、分布式存儲系統）

• 服務高可用等（Web 服務：Nginx、DNS、CDN 等）

• 開源高可用解決方案

• keepalived：通過實現 vrrp 協議來實現地址漂移。

7. 高可用架構

1. 主從高可用架構

• 在系統中，有一個 Master 節點和一個 Backup 節點，其中 Master 節點對線上業務提供服務，Backup 與 Master 節點之間保持心跳。

• 當 Master 節點因宕機服務不可用時，系統會切換到 Backup 節點上線，提供服務。

• 當宕機 Master 節點恢復后，系統將該 Master 節點作為 Backup 加入集群。

2. 雙主高可用架構

• 在系統中，有兩個 Master 節點，均對線上業務提供服務，兩個 Master 節點之間保持心跳。

• 當某一臺 Master 節點因宕機服務不可用時，系統會將流量全部導向剩余的 Master 節點，繼續提供服務。

• 當宕機的 Master 節點恢復后，系統將該 Master 加入集群，提供服務。

8. Keepalived 高可用集群的解決方案

• Keepalived 在一個節點上啟動之后，會生成一個 Master 主進程，這個主進程又會生成兩個子進程，分別是：

• VRRP Stack：實現 VRRP 協議。

• Checkers：檢測 ipvs 后端 realserver 的健康狀況。

• VRRP 雙方節點都啟動后，要實現狀態轉換的，剛開始啟動的時候，初始狀態都是 BACKUP，而后向其他節點發送通知，以及自己的優先級信息，誰的優先級高，就轉換為 MASTER，否則就還是 BACKUP。

• 這時候服務就在狀態為 MASTER 的節點上啟動，為用戶提供服務，如果，該節點掛掉了，則轉換為 BACKUP，優先級降低，另一個節點轉換為 MASTER，優先級上升，服務就在此節點啟動，VIP、VMAC 都會被轉移到這個節點上，為用戶提供服務。

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