高可用之KeepAlived：基本概念和配置文件分析

Posted 2020-10-25 骏马金龙

KeepAlived系列文章：http://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/7576137.html

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1.概述

KeepAlived主要有两个功能：

• (1).能够对RealServer进行健康状况检查，支持4层、5层和7层协议进行健康检查；
• (2).对负载均衡调度器实现高可用，防止Director单点故障。

在keepalived设计之初，它只是LVS周边的一个辅助工具，用于LVS的监控状况检查，因此它和LVS的兼容性非常好。如果某一个realserver节点宕了，keepalived会将此节点从管理列表中踢出去，当此节点恢复后又将此节点加回管理列表，这样能够就让realserver负载均衡变的智能化。但是，此时的调度器存在单点故障的可能性，因此有必要对其实现高可用。

实现LVS高可用可以使用多种软件来实现，如heartbeat，但是heartbeat本身不能实现ipvs的健康状况检查，需要搭配Ldirectord(安装完heartbeat就有了)来进行健康检查。所幸的是keepalived后来也加入了高可用的功能，而且配置起来也相当简单。相比于heartbeat+Ldirectord，keepalived的检查速度极快，故障转移也极快，布置也简单的多。所以一般来说，要管理ipvs，都会选择使用keepalived。下图列出了构建LVS高可用的几种工具：

keepalived实现故障转移的功能是通过VRRP(virtual router redundancy protocol虚拟路由器冗余协议)协议来实现的。 在keepalived正常工作的时候，主节点(master)会不断的发送心跳信息给备节点(backup)，当备节点不能在一定时间内收到主节点的心跳信息时，备节点会认为主节点宕了，然后会接管主节点上的资源，并继续向外提供服务保证其可用性。当主节点恢复的时候，备节点会自动让出资源并再次自动成为备节点。

注意，使用keepalived监控、高可用LVS集群时(即常说的keepalived+lvs)，并不需要在Director上使用ipvsadm等管理工具额外配置ipvs规则。因为keepalived中集合了管理ipvs规则的组件(即稍后模型图中的ipvs wrapper)，可以直接在keepalived的配置文件中配置ipvs相关规则，在解析配置文件时会通过特定的组件将规则发送到内核中的ipvs模块。

2. VRRP协议

VRRP协议的出现是为了解决静态路由的单点故障，它是通过一种竞选机制来将路由任务交给某个vrrp路由器的。

在VRRP物理结构中，有多个物理的VRRP路由器，其中有一台称为"master"即主节点路由器，其他的都是"backup"备节点路由器，谁是master谁是backup，这是通过他们的优先级来定义竞选的。

在VRRP虚拟结构中，虚拟路由器是通过"MAC+VRID"的形式来标识的，如"00-00-5E-00-01-{VRID}"。在VRRP虚拟结构中，不管是master还是backup，VRID必须一致。它们对外都是相同的VIP，客户端并不需要因为master的切换而修改自己的路由配置。

VRRP结构中路由器之间的通信是通过IP多播的方式实现的(也可以配置为其它通信方式)。但是，只有master节点才会发送VRRP广告包(vrrp advertisement message)。当master节点宕掉的时候，backup中优先级最高的VRRP设备会抢占并升级为master。

3.keepalived架构模型

Keepalived服务启动的时候，将产生三个相关进程，一个父进程和两个子进程。

PID    111     Keepalived  <-- Parent process fork and monitor children
       112     \\_ Keepalived   <-- VRRP child
       113     \\_ Keepalived   <-- Healthchecking child

父进程负责fork和监控子进程，因此父进程也称为WatchDog。两个子进程都会开启本地套接字Unix Domain Socket。当keepalived服务启动后，父进程会通过unxi domain socket每隔5秒发送一个"Hello"消息给子进程，如果父进程无法发送消息给子进程，将认为子进程出现问题，于是会重启子进程。

下图是keepalived设计架构图：

其中：

• Checkers组件：负责RealServer的健康状况检查，并在LVS的拓扑中移除、添加RealServer。它支持layer4/5/7层的协议检查。该组件使用独立的子进程负责，但被父进程监控。
• VRRP组件：提供Director的故障转移功能从而实现Director的高可用。该组件可独立提供功能，无需LVS的支持。该组件使用独立的子进程负责，但被父进程监控。
• System Call组件：提供读取自定义脚本的功能。该组件在使用时，将临时产生一个子进程来执行任务。
• IPVS wrapper组件：负责将配置文件中IPVS相关规则发送到内核的ipvs模块。
• Netlink Reflector：用来设定、监控vrrp的vip地址。

4.安装keepalived

使用keepalived，完全可以yum安装。本文仅给出编译安装的方法，后文的所有配置都使用yum安装的keepalived。

官方各版本源码下载地址：http://www.keepalived.org/download.html。以下是编译安装keepalived-1.2.19版本的过程。

yum -y install openssl-devel

tar xf keepalived-1.2.19.tar.gz
cd keepalived-1.2.19
./configure --prefix=/usr/local/keepalived-1.2.19
make && make install

其中./configure的·--with-kernel-dir·是在管理LVS时需要使用的，如果不用配合LVS，则可以不用此选项。

再做一下编译安装的规范行为。

ln -s /usr/local/keepalived-1.2.19 /usr/local/keepalived
echo "MANPATH /usr/local/keepalived/share/man" >>/etc/man.config
echo "export PATH=/usr/local/keepalived/sbin:$PATH" > /etc/profile.d/keepalived.sh
chmod +x /etc/profile.d/keepalived.sh
. /etc/profile.d/keepalived.sh

编译安装后，在安装目录下生成以下一些目录，其中keepalived程序在sbin目录下。

[root@xuexi ~]# cd /usr/local/keepalived
[root@xuexi keepalived]# ls
bin  etc  lib  sbin  share

在etc目录下，有配置文件、SysV管理脚本和大量配置文件示例。

[root@xuexi keepalived]# ls etc
keepalived  rc.d  sysconfig
[root@xuexi keepalived]# ls etc/keepalived/
keepalived.conf  samples
[root@xuexi keepalived]# ls etc/rc.d/init.d/
keepalived

但需要注意的是，这里提供的SysV服务管理脚本是错误的，原因是脚本中的keepalived命令路径错误。所以修改该文件。

#原文
start() {
    echo -n $"Starting $prog: "
    daemon keepalived ${KEEPALIVED_OPTIONS}
    RETVAL=$?
    echo
    [ $RETVAL -eq 0 ] && touch /var/lock/subsys/$prog
}
#修改后
start() {
    echo -n $"Starting $prog: "
    daemon /usr/local/keepalived/sbin/keepalived ${KEEPALIVED_OPTIONS}
    RETVAL=$?
    echo
    [ $RETVAL -eq 0 ] && touch /var/lock/subsys/$prog
}

5.配置keepalived的日志

默认keeepalived的日志会记录到/var/log/messages中。可以配置keepalived使其记录到其它文件中。

先修改/etc/sysconfig/keepalived文件，以下是原文内容。

# Options for keepalived. See `keepalived --help\' output and keepalived(8) and
# keepalived.conf(5) man pages for a list of all options. Here are the most
# common ones :
#
# --vrrp               -P    Only run with VRRP subsystem.
# --check              -C    Only run with Health-checker subsystem.
# --dont-release-vrrp  -V    Dont remove VRRP VIPs & VROUTEs on daemon stop.
# --dont-release-ipvs  -I    Dont remove IPVS topology on daemon stop.
# --dump-conf          -d    Dump the configuration data.
# --log-detail         -D    Detailed log messages.
# --log-facility       -S    0-7 Set local syslog facility (default=LOG_DAEMON)
#

KEEPALIVED_OPTIONS="-D"

要配置独立的日志，将其中的"KEEPALIVED_OPTIONS"改为如下：

KEEPALIVED_OPTIONS="-D -S 0"

上面配置使用local0这个设备来记录日志，因此去修改rsyslog的配置文件/etc/rsyslog.conf，添加该设备记录日志的级别和路径。

# Keepalived log config
local0.*                           /var/log/keepalived.log

再重启rsyslog。

service rsyslog restart

6.keepalived配置文件详解

配置文件分为3部分：全局部分、VRRPd部分(即实现高可用部分)以及LVS虚拟服务部分(健康状况检查以及管理的集群服务)。

选项很多，具体的意义可以man keepalived.conf。默认内容如下：

! Configuration File for keepalived

global_defs {                    #全局部分定义邮件报警系统，可以不用定义
   notification_email {          #定义邮件发送目标
     [e-mail]
     [e-mail]
     [e-mail]
   }
   notification_email_from [e-mail]  #定义邮件发送人
   smtp_server 192.168.200.1
   smtp_connect_timeout 30
   router_id LVS_DEVEL         #标识keepalived服务器的字符串，实现高可用时需要使用它标识节点

        # 全局部分关于静态地址和静态路由的配置，可以man keepalived.conf，不过几乎不用配置这部分
}

#定义vrrp实例。一个配置文件中可以实现多实例。但不同主机上互为master<-->backup的实例名需相同
vrrp_instance VI_1 {         
    state MASTER           #定义实例的角色状态是master还是backup
    interface eth0         #定义vrrp绑定的接口，即接收或发送心跳通告的接口，即HA监测接口
    virtual_router_id 51   #虚拟路由标识(VRID)，同一实例该数值必须相同，即master和backup中该值相同
                           #同一网卡上的不同vrrp实例，该值必须不能相同。取值范围0-255
    priority 100           #该vrrp实例中本机的keepalived的优先级，优先级最高的为master。该选项的优先级
                           #高于state选项，即若state指定的是backup，但这里设置的值最高，则仍为master。
    advert_int 1           #心跳信息发送和接收时间间隔，单位为秒
    authentication {       #认证方式，同一实例中这个配置必须完全一样才可通过认证。只建议使用PASS认证
        auth_type PASS
        auth_pass 1111     #最多支持8字符，超过8字符将只取前8字符
    }
virtual_ipaddress {      #设置的VIP。只有master节点才会设置。master出现故障后，VIP会故障转移到backup。
                         #这些vip默认配置在interface指定的接口别名上，可使用dev选项来指定配置接口。
                         #使用ip add的方式添加。若要被ifconfig查看，在IP地址后加上label即可。
                         #<IPADDR>/<MASK> brd <IPADDR> dev <STRING> scope <SCOPE> label <LABEL>
        192.168.200.16 label eth0:1
        192.168.200.17
        192.168.200.18
        192.168.200.19/24 dev eth1
    }
}

#定义虚拟服务部分
virtual_server 192.168.200.100 443 { #虚拟服务地址和端口，使用空格分隔，其中地址为VIP
    delay_loop 6                     #健康检查时间间隔
    lb_algo rr                       #定义负载均衡LB的算法，这里使用的是rr调度算法
    lb_kind NAT                      #lvs的模型，有NAT/DR/TUN三种
    nat_mask 255.255.255.0
    persistence_timeout 50           #持久会话保持时长
    protocol TCP                     #监控服务的协议类型，1.3.0版本之前只支持tcp，之后还支持udp

    real_server 192.168.201.100 443 {   #定义real_server部分，地址和端口使用空格分隔
        weight 1       #LVS权重
        SSL_GET {      #健康状况检查的检查方式，常见的有HTTP_GET|SSL_GET|TCP_CHECK|MISC_CHECK。
            url {      
              path /   #指定ssl_get健康状况检查的路径，例如检查index.html是否正常
              digest ff20ad2481f97b1754ef3e12ecd3a9cc  
                                #健康状况需要状态码，可以是status_code、digest或digest+status_code
                                #digest值用keepalived的genhash命令生成，一般使用status_code即可
              status_code 200
            }
            url {
              path /mrtg/
              digest 9b3a0c85a887a256d6939da88aabd8cd
            }
            connect_timeout 3           #表示3秒无响应就超时，即此realserver不健康，需重试连接
            nb_get_retry 3              #表示重试3次，3次之后都超时就是宕机，防止误伤(nb=number)
            delay_before_retry 3        #重试的时间间隔
                                        #上述配置需12秒才能判断节点故障，时间太久，应改小
        }
    }
}

virtual_server 10.10.10.2 1358 {
    delay_loop 6
    lb_algo rr 
    lb_kind NAT
    persistence_timeout 50
    protocol TCP

    sorry_server 192.168.200.200 1358    #定义当所有Real server都宕机的时候，由哪台服务器继续提供服务
                                         #一般在keepalived本机给定一个web页面，提示网站正在维护的信息

    real_server 192.168.200.2 1358 {
        weight 1
        HTTP_GET {
            url { 
              path /testurl/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            url { 
              path /testurl2/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            url { 
              path /testurl3/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            connect_timeout 3
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
        }
    }

    real_server 192.168.200.3 1358 {
        weight 1
        HTTP_GET {
            url { 
              path /testurl/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334c
            }
            url { 
              path /testurl2/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334c
            }
            connect_timeout 3
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
        }
    }
}

virtual_server 10.10.10.3 1358 {
    delay_loop 3
    lb_algo rr 
    lb_kind NAT
    nat_mask 255.255.255.0
    persistence_timeout 50
    protocol TCP

    real_server 192.168.200.4 1358 {
        weight 1
        HTTP_GET {
            url { 
              path /testurl/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            url { 
              path /testurl2/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            url { 
              path /testurl3/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            connect_timeout 3
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
        }
    }

    real_server 192.168.200.5 1358 {
        weight 1
        HTTP_GET {
            url { 
              path /testurl/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            url { 
              path /testurl2/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            url { 
              path /testurl3/test.jsp
              digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
            }
            connect_timeout 3
            nb_get_retry 3
            delay_before_retry 3
        }
    }
}

关于配置文件中的几种时间间隔：

• advert_int N1：vrrp主备之间发送和接收心跳信息的时间间隔。和Checker组件无关。
• delay_loop N2：是健康状况检查的时间间隔。每隔几秒就检查一次。
• connect_timeout N3：连接RS的超时时间，连接不上说明不健康，需要重试连接来判定RS是否故障。
• nb_get_retry N4：一个节点不健康的判定重试次数。要重试N次，N次内都不健康说明节点故障了。
• delay_before_retry N5：判定某节点不健康后过N秒再进行重试判定。

N2和N5的区别在于：当上一次健康检查结果是正常的，将会隔N2秒再检查。如果某次检查不健康，即联系不上RS，则每隔N5秒重试一次，直到N4次后才判定该RS已经故障。因此，最终需要N3+N4*N5才能判定一个节点的故障。

虽然健康检查的失败次数是可以指定的，但一般都会设置多于1次防止误伤。另外，成功的检查只需一次即可。

keepalived支持4层、5层和7层的健康状况检查，按检查类型又可分为TCP检查(4层)、HTTP检查(5层)、SSL_HTTP检查(5层)以及自定义的MISC检查(可实现7层)。其中：

• TCP_CHECK：通过TCP连接来检查后端RS是否健康。
• HTTP_GET：通过获取指定页面来检查后端RS是否健康。是否健康是根据是否匹配digest、status_code来判断的。
• SSL_GET：和HTTP_GET一样，只不过使用的协议是HTTPS。
• MISC_CHECK：通过加载自定义健康状况检查的脚本来检查对象是否健康，要求这些脚本中健康与否的返回值为0或1。

使用MISC_CHECK检查时，方式如下：

MISC_CHECK {
    misc_path /path_to_script/script.sh
    (or misc_path “ /path_to_script/script.sh <arg_list>”)
}