Keepalive技术

文章目录

  • 一、Keepalive基础
    • vrrp技术
    • Keepalived介绍
    • Keepalived架构
  • 二、 Keepalived 相关文件
    • 配置文件组成
    • 全局配置
    • 虚拟路由器配置
  • 三、配置lvs和keepalive联动
    • 服务器架构
    • 抢占模式配置
    • 配置单播、组播
    • 配置通知模块
    • 日志功能
    • 脑裂现象
  • 四、keepalived和nginx联动
    • keepalive和其他应用的高可用 VRRP Script
    • 实验效果

一、Keepalive基础

vrrp技术

技术原理
通过在冗余网关间共享虚拟MAC和IP地址，保证数据转发时并不是转给某一个具体网关的IP，而是把数据转发给虚拟网关的IP，因此，不论哪一个路由器成为主路由，都不会影响数据通信。通过组播协议对数据端口进行监控，一旦检测数据转发的端口坏掉，主路由器会停发HELLO包，备路由器提升为主路由，实现数据的稳定高效转发。

在VRRP协议中，有两组重要的概念：VRRP路由器和虚拟路由器，主控路由器和备份路由器。VRRP路由器是指运行VRRP的路由器，是物理实体；虚拟路由器是指VRRP协议创建的，是逻辑概念。一组VRRP路由器协同工作，共同构成一台虚拟路由器。该虚拟路由器对外表现为一个具有唯一固定的IP地址和MAC地址的逻辑路由器。处于同一个VRRP组中的路由器具有两种互斥的角色：主控路由器和备份路由器，一个VRRP组中有且只有一台处于主控角色的路由器，可以有一个或者多个处于备份角色的路由器VRRP协议从路由器组中选出一台作为主控路由器，负责ARP解析和转发IP数据包，组中的其他路由器作为备份的角色并处于待命状态，当由于某种原因主控路由器发生故障时，其中的一台备份路由器能在瞬间的时延后升级为主控路由器，由于此切换非常迅速而且不用改变IP地址和MAC地址，故对终端使用者系统是透明的。

VRRP相关术语

  • 虚拟路由器：Virtual Router 不是真实存在，虚构出来的。
  • 虚拟路由器标识：VRID(0-255)，唯一标识虚拟路由器 。
  • VIP：Virtual IP 对外提供服务的地址
  • VMAC：Virutal MAC 虚拟MAC地址
  • 物理路由器：
  • master：主设备
  • backup：备用设备
  • priority：优先级

Keepalived介绍

功能

  • 基于vrrp协议完成地址流动
  • 为vip地址所在的节点生成ipvs规则(在配置文件中预先定义)
  • 为ipvs集群的各RS做健康状态检测
  • 基于脚本调用接口完成脚本中定义的功能，进而影响集群事务，以此支持nginx、haproxy等服务。

Keepalived架构

在这里插入图片描述

  • 用户空间核心组件：

    • vrrp stack：虚拟IP消息通告
    • checkers：监测后端真实服务器的服务是否存活
    • system call：实现 vrrp 协议状态转换时调用脚本的功能
    • SMTP：邮件组件（报警邮件）
    • IPVS wrapper：生成IPVS规则（直接生成ipvsadm）
    • Netlink Reflector：网络接口（让虚拟地址ip地址飘动）

  • WatchDog：监控进程（整个架构是否有问题）

  • 控制组件：提供keepalived.conf 的解析器，完成Keepalived配置。

  • IO复用器：针对网络目的而优化的自己的线程抽象。

  • 内存管理组件：为某些通用的内存管理功能（例如分配，重新分配，发布等）提供访问权限。

二、 Keepalived 相关文件

配置文件组成

主配置文件：/etc/keepalived/keepalived.conf

  • GLOBAL CONFIGURATION
    Global definitions（全局配置）：定义邮件配置，route_id ，vrrp配置，组播地址 等

  • VRRP CONFIGURATION
    VRRP instance(s)：定义vrrp协议中的每个vrrp虚拟路由器的规则，基本信息

  • LVS CONFIGURATION（lvs调度服务器的规则设置）

Virtual server group(s)
Virtual server(s)：LVS集群的VS和RS
在这里插入图片描述

全局配置

global_defs {
 notification_email {
 root@localhost
 #keepalived 发生故障切换时邮件发送的目标邮箱，可以按行区分写多个
 root@localhost
2769741114@qq.com 
 }
 notification_email_from keepalived@localhost  
 #发邮件的地址
 smtp_server 127.0.0.1     
 #邮件服务器地址
 smtp_connect_timeout 30   
 #邮件服务器连接timeout
 router_id   LVS01
 #每个keepalived主机唯一标识，建议使用当前主机名，但多节点重名不影响
 vrrp_skip_check_adv_addr  
 #对所有通告报文都检查，会比较消耗性能，启用此配置后，如果收到的通告报文和上一个报文是同一个路由器，则跳过检查，默认值为全检查
vrrp_strict 
#严格遵守VRRP协议,启用此项后以下状况将无法启动服务:1.无VIP地址 2.配置了单播邻居 3.在VRRP版本2中有IPv6地址，开启动此项并且没有配置vrrp_iptables时会自动开启iptables防火墙规则，默认导致VIP无法访问,建议不加此项配置。
 vrrp_garp_interval 0 
 #gratuitous ARP messages 免费ARP报文发送延迟，0表示不延迟
 vrrp_gna_interval 0 
 #unsolicited NA messages （不请自来）消息发送延迟
 vrrp_mcast_group4 225.0.0.18
 #指定组播IP地址范围：224.0.0.0到239.255.255.255,默认值：224.0.0.18 
 vrrp_iptables        
 #此项和vrrp_strict同时开启时，则不会添加防火墙规则,如果无配置vrrp_strict项,则无需启用此项配置
}

注意：
默认keepalived主机之间利用多播相互通告消息，可能会造成网络拥塞，可以替换成单播，来减少网络流量。
启用vrrp_strict 时，不能启用单播。

虚拟路由器配置

vrrp_instance <STRING> {
#<String>为vrrp的实例名,一般为业务名称
 配置参数
 ......
 }
#配置参数：
state MASTER|BACKUP
#当前节点在此虚拟路由器上的初始状态，状态为MASTER或者BACKUP
interface IFACE_NAME 
#绑定为当前虚拟路由器使用的物理接口，如：eth0,bond0,br0,可以和VIP不在一个网卡
virtual_router_id VRID 
#每个虚拟路由器惟一标识，范围：0-255，每个虚拟路由器此值必须唯一，否则服务无法启动，同属一个虚拟路由器的多个keepalived节点必须相同,务必要确认在同一网络中此值必须唯一
priority 100 
#当前物理节点在此虚拟路由器的优先级，范围：1-254，值越大优先级越高,每个keepalived主机节点此值不同
advert_int 1
#vrrp通告的时间间隔，默认1s
authentication { 
#认证机制
 auth_type AH|PASS   
 #AH为IPSEC认证(不推荐),PASS为简单密码(建议使用)
 auth_pass <PASSWORD> 
 #预共享密钥，仅前8位有效，同一个虚拟路由器的多个keepalived节点必须一样
}
include    /etc/keealived/conf.d/*.conf
virtual_ipaddress { 
#虚拟IP,生产环境可能指定上百个IP地址
 <IPADDR>/<MASK> brd <IPADDR> dev <STRING> scope <SCOPE> label <LABEL>
 192.168.200.100 
 #指定VIP，不指定网卡，默认为,注意：不指定/prefix,默认为/32
 192.168.200.101/24 dev eth1   
 #指定VIP的网卡，建议和interface指令指定的网卡不在一个网卡
 192.168.200.102/24 dev eth2 label eth2:1 
 #指定VIP的网卡label   ifconfig eth2:1   192.168.200.102/24
}
track_interface { 
#配置监控网络接口，一旦出现故障，则转为FAULT状态实现地址转移
 eth0
 eth1
 …
}

三、配置lvs和keepalive联动

服务器架构

整体架构
在这里插入图片描述
主keepalived：192.168.232.10
备keepalived：192.168.232.20
web1：192.168.232.30
web2：192.168.232.40
vip：192.168.232.188
客户机：192.168.232.50

1.准备环境

systemctl stop firewalld.service 
setenforce 0
yum install epel-release.noarch  -y
yum install ipvsadm keepalived -y
#lvs需要安装额外源

2.配置web，选用httpd
在这里插入图片描述
配置成功。

3.配置主keepalived

启动lvs

ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
systemctl start ipvsadm.service

在这里插入图片描述
修改keepalived配置文件：

cd /etc/keepalived/
cp keepalived.conf keepalived.conf.bak
备份

主服务器配置

! Configuration File for keepalived

global_defs {
   notification_email {
     acassen@firewall.loc
     failover@firewall.loc
     sysadmin@firewall.loc
   }
   notification_email_from Alexandre.Cassen@firewall.loc
   smtp_server 127.0.0.1
   修改邮箱指向自己
   smtp_connect_timeout 30
   router_id LVS_01
   本路由器的服务器的名称
   指定服务器名称主备需要不一样
   vrrp_skip_check_adv_addr
   #vrrp_strict
   vrrp_garp_interval 0
   vrrp_gna_interval 0
}

vrrp_instance VI_1 {
定义VRRP热备实例
    state MASTER
    指定服务器类型MASTER为主 BACKUP为备
    interface ens33
    修改网卡名称，表示承载VIP地址的物理接口
    virtual_router_id 51
    指定虚拟路由器的ID号主备需要一致
    priority 100
    设定优先级数字越大优先级越高。
    advert_int 1
    通告间隔即心跳线
    authentication {
        auth_type PASS
        认证类型
        auth_pass 1111
        修改认证密码，主备需要一样
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.232.188
        指定群集vip地址，可以是多个
    }
}

virtual_server 192.168.232.188 80 {
    delay_loop 6
    健康间隔时间6秒
    lb_algo rr
    调度算法轮询
    lb_kind DR
    LVS模式为DR
    persistence_timeout 0
    连接保持时间，通常不会为0，这里是因为体现实验效果，改为0。
    protocol TCP
    采用TCP协议

    real_server 192.168.232.30 80 {
     修改为真实的主机地址以及端口号 
        weight 1
        权重为1
        TCP_CHECK {
        connect_prot 80
        检查目标端口
        connect_timeout 3
        连接超时
        nb_get_retry 3
        重试次数
        delay_before_retry 3
        重试间隔时间
     }
  }

    real_server 192.168.232.40 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
        connect_prot 80
        connect_timeout 3
        nb_get_retry 3
        delay_before_retry 3
     }

从服务器配置
将主服务器配置远程拷贝至从服务器上。

scp keepalived.conf 192.168.232.20:/etc/keepalived/
12    router_id LVS_02
20     state BACKUP
23     priority 80

至此主从服务器配置完成，还需要将ipv4路由转发设置一下。

vim /etc/sysctl.conf 
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0 
sysctl -p
主从都需要。

http服务器配置
设置虚拟ip

ifconfig lo:0 192.168.232.188 netmask 255.255.255.255

内核设置

vim /etc/sysctl.conf 
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.default.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.default.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
sysctl -p

设置路由

route add -host 192.168.232.188 dev lo:0

主服务器上效果
在这里插入图片描述
备服务器上效果，并没有192.168.232.188这个IP地址
在这里插入图片描述
实验效果：
测试负载均衡：
在这里插入图片描述
测试keeplived：
在主服务器上停止keepalive。
地址实现漂移。
在这里插入图片描述

抢占模式配置

keepalive有三种抢占模式，分别是抢占模式，非抢占模式，延迟抢占模式。
默认是抢占模式，当主节点恢复之后会立即抢占回来，会造成两次网络动荡。这种模式有一定弊端。
非抢占模式配置
必须将keepalived服务器state配置为BACKUP

vrrp_instance VI_1 {
 state BACKUP     #都为BACKUP
 interface ens33
 virtual_router_id 66
 priority 100   #优先级高
 advert_int 1
 nopreempt         #添加此行，都为nopreempt

在这里插入图片描述

开启抓包后，关闭主机1，再开启主机1，发现并没有切换至主服务器上，非抢占模式配置成功。

tcpdump -i ens33 -nn host 224.0.0.18

在这里插入图片描述
延迟抢占，可以避免主节点频繁切换。
preempt_delay 指定抢占延迟时间为#s，默认延迟300s
注意： 需要各keepalived服务器state为BACKUP,并且不要启用 vrrp_strict

state BACKUP
    interface ens33
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1
    preempt_delay 3

在这里插入图片描述

配置单播、组播

单播模式下,Keepalived 节点之间通过单独的 IP 地址进行通信。
优点:

  • 更安全,因为只有指定的节点才能收到通信内容。
  • 适用于防火墙内部署,因为可以直接使用私有 IP。
  • 可以通过配置绑定 IP 地址来指定使用特定网卡进行通信。

缺点:

  • 需要手动配置每个节点的对端 IP 地址。
  • 当节点数量增加时,配置维护难度会增大。

组播模式下,Keepalived 节点使用一个预定义的组播地址进行通信。
优点:

  • 无需手动配置每个节点的对端 IP 地址。
  • 当节点数量增加时,配置管理更加简单。
  • 可以更方便地跨网段部署 Keepalived。

缺点:

  • 需要确保网络环境支持组播功能。
  • 组播地址的配置需要小心,避免与其他应用程序冲突。
  • 相比单播,组播可能会对网络带宽产生更大的负载。

单播配置

vrrp_instance VI_1 {
    interface eth0
    state MASTER
    priority 100
    virtual_ipaddress {
        192.168.1.100/24
    }
    unicast_peer {
        192.168.1.101
        192.168.1.102
    }
}

在这个配置中:

  • interface eth0 指定了 VRRP 实例使用的网络接口。
  • state MASTER 表示当前节点是主节点。
  • priority 100 设置了 VRRP 优先级为 100。
  • virtual_ipaddress 定义了虚拟 IP 地址。
  • unicast_peer 指定了单播对端 IP 地址列表。

主从两边都需要修改。

组播配置

vrrp_instance VI_1 {
    interface eth0
    state MASTER
    priority 100
    virtual_ipaddress {
        192.168.1.100/24
    }
    multicast_group 224.0.0.19
}

必须确保在所有节点上使用相同的组播地址，也要确保是组播地址。

配置通知模块

模拟环境：当主从节点发生变化之后，肯定需要人员去维护，但是如何知道呢？这边展示了利用邮件通知运维人员。
通知脚本
当前节点成为主节点时触发的脚本

notify_master <STRING>|<QUOTED-STRING>

当前节点转为备节点时触发的脚本

notify_backup <STRING>|<QUOTED-STRING>

当前节点转为“失败”状态时触发的脚本

notify_fault <STRING>|<QUOTED-STRING>

通用格式的通知触发机制，一个脚本可完成以上三种状态的转换时的通知

notify <STRING>|<QUOTED-STRING>

当停止VRRP时触发的脚本

notify_stop <STRING>|<QUOTED-STRING>

邮箱配置

vim /etc/mail.rc 
set from=QQ号@qq.com
set smtp=smtp.qq.com
set smtp-auth-user=QQ号@qq.com
set smtp-auth-password=

在这里插入图片描述
配置脚本

#!/bin/bash
#
contact='2769741114@qq.com'
notify() {
 mailsubject="$(hostname) to be $1, vip floating"
 mailbody="$(date +'%F %T'): vrrp transition, $(hostname) changed to be $1"
 echo "$mailbody" | mail -s "$mailsubject" $contact：
}
case $1 in

master)
 notify master
 ;;
backup)
 notify backup
 ;;
fault)
 notify fault
 ;;
*)
 echo "Usage: $(basename $0) {master|backup|fault}"
 exit 1
 ;;
esac

keepalived配置文件

vrrp_instance VI_1 {
    state BACKUP
    interface ens33
    virtual_router_id 51
    priority 100
    preempt_delay 30
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.91.16
    }
   notify_master "/opt/keepalive.sh master"
   notify_backup "/opt/keepalive.sh backup"
   notify_fault "/opt/keepalive.sh fault"
   需要调用脚本
}

日志功能

这是keepalive的启动文件

vim /lib/systemd/system/keepalived.service 
[Unit]
Description=LVS and VRRP High Availability Monitor
After=syslog.target network-online.target

[Service]
Type=forking
PIDFile=/var/run/keepalived.pid
KillMode=process
EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/keepalived
ExecStart=/usr/sbin/keepalived $KEEPALIVED_OPTIONS
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID

[Install]
WantedBy=multi-user.target

打开环境变量的文件

vim /etc/sysconfig/keepalived
KEEPALIVED_OPTIONS="-D -S 6"

在这里插入图片描述

vim /etc/rsyslog.conf 
ocal6.*                /var/log/keepalived.log

在这里插入图片描述
然后重启两个服务即可

systemctl restart rsyslog.service
systemctl restart keepalived.service

在这里插入图片描述

脑裂现象

什么是脑裂？
在高可用（HA）系统中，当联系2个节点的“心跳线”断开时，本来为一整体、动作协调的HA系统，就分裂成为2个独立的个体。
由于相互失去了联系，都以为是对方出了故障。两个节点上的HA软件像“裂脑人”一样，争抢“共享资源”、争起“应用服务”，就会发生严重后果。共享资源被瓜分、两边“服务”都起不来了；或者两边“服务”都起来了，但同时读写“共享存储”，导致数据损坏。

哪些原因导致脑裂？

  • 高可用服务器对之间心跳线链路发生故障，导致无法正常通信。
  • 因心跳线坏了（包括断了，老化）。
  • 因网卡及相关驱动坏了，ip配置及冲突问题（网卡直连）
  • 因心跳线间连接的设备故障（网卡及交换机）
  • 高可用服务器上开启了 iptables防火墙阻挡了心跳消息传输。
  • 高可用服务器上心跳网卡地址等信息配置不正确，导致发送心跳失败
  • 其他服务配置不当等原因，如心跳方式不同，心跳广插冲突、软件Bug等。
  • 多组keepalive服务器造成 组播冲突 1.换组播地址 2.改成单播

总之，心跳线的问题。

如何解决keepalived脑裂问题？
在实际生产环境中，我们从以下方面防止脑裂：
1.同时使用串行电缆和以太网电缆连接、同时使用两条心跳线路，这样一条线路断了，另外一条还是好的，依然能传送心跳消息。
2.当检查脑裂时强行关闭一个心跳节点（这个功能需要特殊设备支持，如stonith、fence）相当于备节点接收不到心跳消息，通过单独的线路发送关机命令关闭主节点的电源。

四、keepalived和nginx联动

keepalive和其他应用的高可用 VRRP Script

keepalived利用 VRRP Script 技术，可以调用外部的辅助脚本进行资源监控，并根据监控的结果实现优先动态调整，从而实现其它应用的高可用性功能。可以和任何软件组合形成，高可用的架构。

分两步实现：
定义脚本
vrrp_script：自定义资源监控脚本，vrrp实例根据脚本返回值，公共定义，可被多个实例调用，定义在vrrp实例之外的独立配置块，一般放在global_defs设置块之后。通常此脚本用于监控指定应用的状态。一旦发现应用的状态异常，则触发对MASTER节点的权重减至低于SLAVE节点，从而实现 VIP 切换到 SLAVE 节点。

vrrp_script <SCRIPT_NAME> { 				#定义一个检测脚本，在global_defs 之外配置
     script <STRING>|<QUOTED-STRING> 		#shell命令或脚本路径(注意执行权限)   0 不会执行以下操作，   1 就会执行以下操作
     interval <INTEGER> 					#间隔时间，单位为秒，默认1秒
     timeout <INTEGER> 						#超时时间
     weight  <INTEGER:-254..254> 			#默认为0,如果设置此值为负数，当上面脚本返回值为非0时，会将此值与本节点权重相加可以降低本节点权重，即表示fall. 如果是正数，当脚本返回值为0，会将此值与本节点权重相加可以提高本节点权重，即表示 rise.通常使用负值
     fall <INTEGER>          					#执行脚本连续几次都失败,则转换为失败，建议设为2以上
     rise <INTEGER>   					#执行脚本连续几次都成功，把服务器从失败标记为成功
     user USERNAME [GROUPNAME] 				#执行监测脚本的用户或组      
     init_fail         						#设置默认标记为失败状态，监测成功之后再转换为成功状态
}
 


vrrp_script check_down {
        script  "/etc/keepalived/ng.sh"   #指明脚本的位置   
        interval 1            #每隔1s 执行一次检测
        weight -30             #如果 脚本执行失败自动减少优先级30
        fall  3                # 3次不成功才标注为失败 
        rise 2                 #nginx  重新起来后检测两次成功 才真的成功  
        timeout 2               #超时时间  2s 
}

注意：这边的优先级-30要根据实际情况加减。

调用脚本
track_script：调用vrrp_script定义的脚本去监控资源，定义在VRRP实例之内，调用事先定义的vrrp_script

SCRIPT_NAME_1

在这里插入图片描述

主keepalived和nginx：192.168.232.10
备keepalived和nginx：192.168.232.20
web1：192.168.232.30
web2：192.168.232.40
vip：192.168.232.188
客户机：192.168.232.50

配置后端真实服务器

systemctl stop firewalld
setenforce 0
yum  install httpd  -y
vim /etc/httpd/conf/httpd.conf
keepalive	off
echo  7-3 > /var/www/html/index.html
systemctl start httpd

配置代理服务器

vim   /etc/nginx/nginx.conf

 upstream web  {
    server 192.168.232.30;
    server 192.168.232.40;
    }


 location /  {
         proxy_pass  http://web;
        }

在这里插入图片描述
两台机子的配置是一样的，远程拷贝即可。在主配置中也需要将nginx的长连接关闭。

主服务器的keepalive配置

! Configuration File for keepalived

global_defs {
   notification_email {
     acassen@firewall.loc
     failover@firewall.loc
     sysadmin@firewall.loc
   }
   notification_email_from Alexandre.Cassen@firewall.loc
   smtp_server 127.0.0.1  
   修改邮箱地址
   smtp_connect_timeout 30
   router_id LVS_01 
   修改名称
   vrrp_skip_check_adv_addr
   #vrrp_strict
   关闭严格模式
   vrrp_garp_interval 0
   vrrp_gna_interval 0
}

vrrp_script check_down {
        script  "/etc/keepalived/ng.sh"
        指明脚本位置
        interval 1
        每隔1s执行一次检测
        weight -30
        如果脚本执行失败自动减少优先级30
        fall  3
        3次不成功标注为失败
        rise 2
        nginx重新起来后检测两次成功后才真的成功。
        timeout 2
        超时时间2s
}

vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface ens33
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.232.188
    }
    track_script {
     check_down
     }
}

vim    /etc/keepalived/ng.sh
killall   -0    nginx

chmod +x    /etc/keepalived/ng.sh
scp  /etc/keepalived/keepalived.conf   192.168.232.20://etc/keepalived/

实验效果

测试负载均衡是否成功
在这里插入图片描述
关闭7-1的keepalive，切换至7-2的服务。
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重启开始7-1，关闭7-1的nginx
在这里插入图片描述
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效果配置成功。

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