基于VIP的Keepalived 高可用架构是怎么样的

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1. Keepalived 简介

1. keepalived 的作用

• Keepalived 的作用是检测服务器的状态。如果有一台 web 服务器宕机，或工作出现故障，Keepalived 将检测到，并将有故障的服务器从系统中剔除，同时使用其他服务器代替该服务器的工作，当服务器工作正常后 Keepalived 自动将服务器加载到服务器群中，这些工作全部自动完成，不需要人工干涉，需要人工做的只是修复故障的服务器。

2. Keepalived 的特性

• 配置文件简单：配置文件比较简单，可通过简单配置实现高可用功能。

• 稳定性强：keepalived 是一个类似于 layer3/4/7 交换机机制的软件，具备我们平时说的第 3 层、第 4 层和第 7 层交换机的功能，常用于前端负载均衡器的高可用服务，当主服务器出现故障时，可快速进行切换，监测机制灵活，成功率高。

• 成本低廉：开源软件，可直接下载配置使用，没有额外费用。

• 应用范围广：因为 keepalived 可应用在多个层面，所以它几乎可以对所有应用做高可用，包括 LVS、数据库、http 服务、nginx 负载均衡等等。

• 支持多种类型：支持主从模式、主主模式高可用，可根据业务场景灵活选择。

2. Keepalived 工作原理

1. Keepalived 内部工作分为以下几个部分

• WatchDog 监控 checkers 和 VRRP 进程的状况。

• Checkers 负责真实服务器的健康检查 healthchecking。

• VRRP Stack 负责负载均衡器之间的失败切换。

• IPVS wrapper 用来发送设定的规则到内核 IPVS 代码。

• Netlink Reflector 用来设定 vrrp 的 vip 地址等。

2. VRRP 协议

• Keepalived 是以 VRRP 协议为实现基础的，VRRP 全称 Virtual Router Redundancy Protocol，即虚拟路由冗余协议。

• VRRP 根据优先级来确定虚拟路由器中每台路由器的角色（Master 路由器或 Backup 路由器）。VRRP 优先级的取值范围为 0 到 255（数值越大表明优先级越高），可配置的范围是 1 到 254，优先级 0 为系统保留给路由器放弃 Master 位置时候使用，255 则是系统保留给 IP 地址拥有者使用。优先级越高，则越有可能成为 Master 路由器。当两台优先级相同的路由器同时竞争 Master 时，比较接口 IP 地址大小。接口地址大者当选为 Master。

3. 主要模块

• core 模块：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 模块：负责健康检查，包括各种常见的检查方式。

• vrrp 模块：是来实现 VRRP 协议的。

3. Keepalived 应用场景

1. 在网络层、数据链路层，运行着 4 个重要的协议

• IP：互联网协议。

• ICMP：互联网控制报文协议。

• ARP：地址转换协议。

• RARP：反向地址转换协议。

2. 网络层场景

• Keepalived 在网络层采用的最常见的工作方式是通过 ICMP 协议向服务器集群中的那个节点发送一个 ICMP 数据包（类似于 ping 实现的功能），如果某个节点没有返回响应数据包，那么认为此节点发生了故障，Keepalived 将报告此节点失效，并从服务器集群中剔除故障节点。

3. 传输层场景

• 在传输层，提供了两个主要的协议：传输控制协议 TCP 和用户数据协议 UDP。传输控制协议 TCP 可以提供可靠的数据传输服务、IP 地址和端口代表 TCP 的一个连接端。要获得 TCP 服务，需要在发送机的一个端口上和接收机的一个端口上建立连接。

• Keepalived 在传输层就是利用 TCP 协议的端口连接和扫描技术来判断集群点是否是正常的。比如，对于常见的 WEB 服务默认的 80 端口、SSH 服务默认的 22 端口等，Keepalived 一旦在传输层探测到这些端口没有响应数据返回，就认为这些端口发生异常，然后强制将此端口对应的节点从服务器集群组中移除。

4. 应用层场景

• 在应用层，可运行 FTP、TELNET、HTTP、DNS 等各种不同类型的高层协议。

• Keepalived 在应用层的运行方式也更加全面化和复杂化，用户可以通过自定义 Keepalived 的工作方式；例如：用户可以通过编写程序来运行 keepalived。而 keepalived 将根据用户的设定检测各种程序或服务是否运行正常，如果 Keepalived 的检测结果与用户设定不一致时，Keepalived 将把对应的服务从服务器中移除。

4. 集群

• 集群是一组相互独立的、通过高速网络互连的计算机，它们构成了一个组，并以单一系统的模式加以管理。一个客户与集群相互作用时，集群像是一个独立的服务器。

• 通过集群技术，可以在付出较低成本的情况下获得在性能、可靠性、灵活性方面的相对较高的收益，其任务调度则是集群系统中的核心技术。

• 集群组成后，可以利用多个计算机和组合进行海量请求处理（负载均衡），从而获得很高的处理效率，也可以用多个计算机做备份（高可用），使得任何一个计算机坏了整个系统还是能正常运行。集群在目前互联网公司是必备的技术，极大提高互联网业务的可用性和可缩放性。

5. 高可用

• HA（High Available），高可用性集群是通过系统的可靠性（reliability）和维护性（maintainability）来度量的。

• 工程上，通常用平均无故障时间（MTTF）来度量系统的可靠性，用平均维修时间（MTTR）来度量系统的可维护性。于是可用性被定义为：HA=MTTF/(MTTF+MTTR)*100%（平均无故障时间/总时间，总时间=平均无故障时间+平均维修时间）。

• 具体 HA（可用性）衡量标准：

• 99% 一年宕机时间不超过 4 天。

• 99.9% 一年宕机时间不超过 10 小时。

• 99.99% 一年宕机时间不超过 1 小时。

• 99.999% 一年宕机时间不超过 6 分钟。

6. 高可用集群实现

• 高可用工作方式

• 主从方式（非对称方式）

• 双机双工方式（互备互援）

• 集群工作方式（多服务器互备方式）

• 高可用的资源分类

• 网络高可用（用户 -> 机房、机房内网）

• 服务器高可用（CPU、内存、磁盘）

• 存储高可用（关系型数据库、分布式缓存、分布式存储系统）

• 服务高可用等（Web 服务：Nginx、DNS、CDN 等）

• 开源高可用解决方案

• keepalived：通过实现 vrrp 协议来实现地址漂移。

7. 高可用架构

1. 主从高可用架构

• 在系统中，有一个 Master 节点和一个 Backup 节点，其中 Master 节点对线上业务提供服务，Backup 与 Master 节点之间保持心跳。

• 当 Master 节点因宕机服务不可用时，系统会切换到 Backup 节点上线，提供服务。

• 当宕机 Master 节点恢复后，系统将该 Master 节点作为 Backup 加入集群。

2. 双主高可用架构

• 在系统中，有两个 Master 节点，均对线上业务提供服务，两个 Master 节点之间保持心跳。

• 当某一台 Master 节点因宕机服务不可用时，系统会将流量全部导向剩余的 Master 节点，继续提供服务。

• 当宕机的 Master 节点恢复后，系统将该 Master 加入集群，提供服务。

8. Keepalived 高可用集群的解决方案

• Keepalived 在一个节点上启动之后，会生成一个 Master 主进程，这个主进程又会生成两个子进程，分别是：

• VRRP Stack：实现 VRRP 协议。

• Checkers：检测 ipvs 后端 realserver 的健康状况。

• VRRP 双方节点都启动后，要实现状态转换的，刚开始启动的时候，初始状态都是 BACKUP，而后向其他节点发送通知，以及自己的优先级信息，谁的优先级高，就转换为 MASTER，否则就还是 BACKUP。

• 这时候服务就在状态为 MASTER 的节点上启动，为用户提供服务，如果，该节点挂掉了，则转换为 BACKUP，优先级降低，另一个节点转换为 MASTER，优先级上升，服务就在此节点启动，VIP、VMAC 都会被转移到这个节点上，为用户提供服务。

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