Keepalived基本原理

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

Keepalived簡(jiǎn)介

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

它與HeartBeat實(shí)現(xiàn)類似的功能，都可以實(shí)現(xiàn)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(cè)、資源接管，檢測(cè)集群中的服務(wù)，在集群節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移共享IP地址的所有者等等。HeartBeat功能強(qiáng)大，但是部署和使用相對(duì)比較麻煩，與HeartBeat相比，Keepalived主要是通過虛擬路由冗余來實(shí)現(xiàn)高可用功能，雖然它沒有HeartBeat功能強(qiáng)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(zhǎng)VS設(shè)計(jì)的，專門用來監(jiān)控集群系統(tǒng)中各個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，它根據(jù)TCP/IP參考模型的第三、第四層、第五層交換機(jī)制檢測(cè)每個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，如果某個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常，或者工作出現(xiàn)故障，Keepalived將檢測(cè)到，并將出現(xiàn)的故障的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)從集群系統(tǒng)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(fù)出現(xiàn)故障的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

Keepalived又加入了VRRP的功能，VRRP（VritrualRouterRedundancyProtocol,虛擬路由冗余協(xié)議)出現(xiàn)的目的是解決靜態(tài)路由出現(xiàn)的單點(diǎn)故障問題，通過VRRP可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，因此Keepalvied一方面具有服務(wù)器狀態(tài)檢測(cè)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(qǐng)求，http請(qǐng)求，udp echo請(qǐng)求等方式對(duì)負(fù)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)行保活；而失敗切換主要是應(yīng)用于配置了主備模式的負(fù)載均衡器，利用VRRP維持主備負(fù)載均衡器的心跳，當(dāng)主負(fù)載均衡器出現(xiàn)問題時(shí)，由備負(fù)載均衡器承載對(duì)應(yīng)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(wěn)定性。

VRRP協(xié)議與工作原理

在現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。主機(jī)之間的通信都是通過配置靜態(tài)路由或者(默認(rèn)網(wǎng)關(guān))來完成的，而主機(jī)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(dāng)中，路由器就成了一個(gè)單點(diǎn)瓶頸，為了解決這個(gè)問題，就引入了VRRP協(xié)議。

VRRP協(xié)議是一種容錯(cuò)的主備模式的協(xié)議，保證當(dāng)主機(jī)的下一跳路由出現(xiàn)故障時(shí)，由另一臺(tái)路由器來代替出現(xiàn)故障的路由器進(jìn)行工作，通過VRRP可以在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)透明的進(jìn)行設(shè)備切換而不影響主機(jī)之間的數(shù)據(jù)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(jī)將虛擬路由器當(dāng)作默認(rèn)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(yīng)ARP請(qǐng)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(yīng)接口的真實(shí)MAC地址。

主路由器（MASTER）：虛擬路由器通過虛擬IP對(duì)外提供服務(wù)，而在虛擬路由器內(nèi)部同一時(shí)間只有一臺(tái)物理路由器對(duì)外提供服務(wù)，這臺(tái)提供服務(wù)的物理路由器被稱為主路由器。一般情況下Master是由選舉算法產(chǎn)生，它擁有對(duì)外服務(wù)的虛擬IP，提供各種網(wǎng)絡(luò)功能，如：ARP請(qǐng)求，ICMP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(duì)外的虛擬IP，也不對(duì)外提供網(wǎng)絡(luò)功能，僅接受MASTER的VRRP狀態(tài)通告信息，這些路由器被稱為備份路由器。當(dāng)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(xù)提供對(duì)外服務(wù)，整個(gè)切換對(duì)用戶來說是完全透明的。

VRRP選舉機(jī)制

VRRP路由器在運(yùn)行過程中有三種狀態(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(jī)制來確定路由器的狀態(tài)，優(yōu)先級(jí)如下：

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

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

3.比較IP地址。在沒有Ip地址擁有者和優(yōu)先級(jí)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組中沒有IP地址擁有者，則比較優(yōu)先級(jí)，很明顯router_a和router_b的優(yōu)先級(jí)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工作過程

路由器使用VRRP 功能后，會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)確定自己在備份組中的角色。優(yōu)先級(jí)高的路由器成為Master 路由器，優(yōu)先級(jí)低的成為Backup 路由器。Master 擁有對(duì)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(bào)文，通知備份組內(nèi)的其他設(shè)備自己工作正常；Backup 路由器只接收Master 發(fā)來的報(bào)文信息，用來監(jiān)控Master 的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)Master 失效時(shí)，Backup 路由器進(jìn)行選舉，優(yōu)先級(jí)高的Backup 將成為新的Master 。

主備切換邏輯如下：在搶占方式下，當(dāng)Backup 路由器收到VRRP 報(bào)文后，會(huì)將自己的優(yōu)先級(jí)與報(bào)文中的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行比較。如果大于通告報(bào)文中的優(yōu)先級(jí)，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 路由器沒有出現(xiàn)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(jí)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)送來的VRRP報(bào)文，則認(rèn)為Master 路由器已經(jīng)無法正常工作，此時(shí)Backup 路由器會(huì)認(rèn)為自己是Master 路由器，并對(duì)外發(fā)送VRRP報(bào)文。備份組內(nèi)的路由器根據(jù)優(yōu)先級(jí)選舉出Master 路由器，承擔(dān)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)功能。

Keepalvied的工作原理

Keepalived 包含以下組件：

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

check：負(fù)責(zé)healthchecker(健康檢查)，包括了各種健康檢查方式，以及對(duì)應(yīng)的配置的解析包括LVS的配置解析

vrrp：vrrpd子進(jìn)程，VRRPD子進(jìn)程就是來實(shí)現(xiàn)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healthchecker組件負(fù)責(zé)檢查各自服務(wù)器的健康狀態(tài)，如果MASTER節(jié)點(diǎn)上服務(wù)不可用就會(huì)通過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ICMP協(xié)議向服務(wù)器集群中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ICMP數(shù)據(jù)包(有點(diǎn)類似與Ping的功能)，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有返回響應(yīng)數(shù)據(jù)包，那么認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障，Keepalived將報(bào)告這個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，并從服務(wù)器集群中剔除故障節(jié)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)來判斷集群節(jié)點(diǎn)的端口是否正常，比如對(duì)于常見的WEB服務(wù)器80端口。或者SSH服務(wù)22端口，Keepalived一旦在傳輸層探測(cè)到這些端口號(hào)沒有數(shù)據(jù)響應(yīng)和數(shù)據(jù)返回，就認(rèn)為這些端口發(fā)生異常，然后強(qiáng)制將這些端口所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)從服務(wù)器集群中剔除掉。

應(yīng)用層（5）：Keepalived的運(yùn)行方式也更加全面化和復(fù)雜化，用戶可以通過自定義Keepalived工作方式，例如：可以通過編寫程序或者腳本來運(yùn)行Keepalived，而Keepalived將根據(jù)用戶的設(shè)定參數(shù)檢測(cè)各種程序或者服務(wù)是否允許正常，如果Keepalived的檢測(cè)結(jié)果和用戶設(shè)定的不一致時(shí)，Keepalived將把對(duì)應(yīng)的服務(wù)器從服務(wù)器集群中剔除。