高可用实现KeepAlived原理简介

一、简介

    目前主流实现web网站及数据库服务高可用软件包括:keepalived、heartbeat、corosync,cman;高可用简称HA;

    官方站点:https://www.keepalived.org/

  1、keepalived主要功能

    对RealServer进行健康状态检查,支持3层、4层、7层协议进行健康检查;并支持VRRP冗余协议所以keepalived两个功能是监控检查,VRRP冗余协议;

  2、keepalived的作用

    检查web服务器的状态,如果有一台web服务器/mysql服务器宕机或故障,keepalived将故障节点从系统中剔除,当故障恢复的时候自动加入服务器集群中,非常智能化,只需要手动修复坏的节点即可。

  3、keepalived的layer3、4、7层分别是IP层、传输层、应用层的实现原理如下:

    1)、layer3:keepalived定期向集群中服务器发送ICMP的包,如果发现哪台ping不通,便报告这台服务器失效,并将其剔除集群;(判断标准为IP是否有效)

    2)、layer4:主要以TCP端口(也可以是udp)状态来决定服务器工作是否正常,如web服务器的80端口如果没有工作,则将其剔除集群(判断标准为端口)

    3)、layer7:应用层,keepalived将根据用户的设定,检查服务器程序的运行是否正常,如果不是设定值,则将其剔除集群(判断标准为程序是否正常)

二、keepalived VRRP原理

  1、学习keepalived,必须了解VRRP协议的原理,因为keepalived是VRRP的完美实现,那什么是VRRP那?VRRP(虚拟路由冗余协议)最早是为了解决网关的点单故障的路由协议,在主机上如何选定到达目的的下一跳路由,这个问题通常解决方案是,动态路由协议RIP,OSPF;再有就是静态路由协议,主机中实现动态路由协议非常不实际,管理,开销,维护等诸多问题,因此通常是配置静态路由协议,但是路由器或网管就经常出现单点,VRRP就是解决此静态路由单点问题VRRP通过竞选协议来动态交给LAN中的虚拟路由器中的某台VRRP路由器。

  2、VRRP虚拟路由器集群中,由多台物理机组成,但是并不是同时工作,而是由master负载路由工作,其他都是backup,master也不是一成不变,VRRP会让每个VRRP路由参与竞选最终优先的就是master

  3、master的特权是拥有虚拟路由器的IP地址,即VIP,负责转发给网关地址的包和响应ARP请求。

  4、VRRP通过竞选来实现虚拟路由器的功能,所有协议报文都是通过IP多播包(多播地址224.0.0.18)发送的,虚拟路由器有VRID(0~255)和一组IP地址组成,对外表现为一个mac地址,所以一组虚拟路由器集群中,不管谁是master,对外都是一个相同mac和VIP,客户端没有感知。

  5、master的VRRP路由器会一直发送VRRP广播包,backup不会抢占master,除非优先级(priority)更高,当master不可用时(backup收不到广播包),多台backup中优先级最高的这台会抢占master,抢占是非常快速的,并且VRRP包还使用了加密协议进行传输。

  6、keepalived基于VRRP将两台主机当做路由器,组成虚拟路由器集群,master高的主机产生VIP,该VIP负责转发用户发起的IP包或请求

三、keepalive架构模型

  一个父进程两个子进程

    为了确保健壮及稳定性,守护进程被分为3个不同的进程,父进程负责fork和监控子进程,因此父进程也称为watchdog,凉饿子进程,一个负责VRRP,另一个负责健康检查,每个进程都有自己的I/O多路复用器,这样可以优化VRRP调度抖动,因为VRRP比健康检查更重要,两个子进程开启本地套接字Unix Domain Socket,当keepalive启动后,父进程通过unix domain socket每隔5s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,于是重启子进程。watchdog这种设计的两个好处是,第一父进程发送给远程子进程的hello数据包是通过I/O多路复用程序完成的,这样他就可以在子调度框架中检测死循环,第二是使用sysV信号检测dead children。

  架构图:

    解释:

      userspace  用户空间

      kernelspace 内核空间

      checker组件:负责RS健康状态检查,并在LVS拓扑中移除、添加,支持layer3/4/7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。这个组件就是实现健康检查(TCPHTTPSSLMISC......)

      VRRP stack: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支持,也是独立的子进程负责,父进程监控,vrrp stact就是vrrp的实现,比如vrrp协议调用。

      system call组件:提供抓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,支持系统调用机制,做出管理操作。

      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,就是生产ipvs规则的。

      netlink reflector:用来设定,监控vrrp的vip地址,负责交互,VRRP借助于netlink健康网络,实现网络功能配置。

      schedule-I/O Multiplexer:并发控制。

      memory mngt:内存管理。

      control plane configuration file parser:配置文件,分析的主控工具。

      watch dog:可以理解为高可用监视器。

四、keepalived配置文件

  vim /etc/keepalived/keepalived.conf 

  2 ! Configuration File for keepalived 
  3 
  4 global_defs {          #全局部分定义邮件报警系统
  5    notification_email {    #定义邮件发送目标
  6      acassen@firewall.loc
  7      failover@firewall.loc
  8      sysadmin@firewall.loc
  9    }
 10    notification_email_from Alexandre.Cassen@firewall.loc  #定义邮件发送人
 11    smtp_server 192.168.200.1                   #指定smtp服务器地址
 12    smtp_connect_timeout 30                    #指定smtp连接超时时间
 13    router_id LVS_DEVEL                       #表示keepalived服务器的字符串,局域网内是唯一的高可用需要使用它标识节点
 14    vrrp_skip_check_adv_addr                   #默认是不跳过检查,检查收到的VRRP通过中的所有地址可能会比较耗时,设置此命令的意思是,如果通告于接收的上一个通过来自相同的master路由器,则不执行检查,也就是跳过检查 15    vrrp_strict                           #严格嬦VRRP协议,阻止keepalived启动有几种情况,1没有vip,2单播邻居,3在VRRP版本2中有ipv6地址
 16    vrrp_garp_interval 0                      #在一个接口发送的两个arp之间的延迟,可以是毫米级
 17    vrrp_gna_interval 0
 18 }
 19#定义VRRP实例,一个配置文件可以有多例,不同主机之间互为主备,实例名称应该一致。
 20 vrrp_instance VI_1 {            
 21     state MASTER         #定义角色状态,是master/backup                     
 22     interface eth0        #定义网卡
 23     virtual_router_id 51     #定义虚拟路由标识VRID,主备应该相同
 24     priority 100          #定义优先级
 25     advert_int 1          #心跳时间1s
 26     authentication {        #认证方式一个实例中必须完全一致
 27         auth_type PASS      
 28         auth_pass 1111            #最多8个字符
 29     }
 30     virtual_ipaddress {      #设置VIP,主备相同,可以使用dev选项来指定接口,如果需要ifconfig查看,需要在ip地址后加上label,可以是多个VIP
 31         192.168.200.16
 32         192.168.200.17
 33         192.168.200.18
 34     }
 35 }
 36 #定义虚拟服务部分
 37 virtual_server 192.168.200.100 443 {     #虚拟服务器地址和端口空格隔开地址为VIP
 38     delay_loop 6               #健康检查间隔
 39     lb_algo rr                #定义负载均衡算法,这里是rr
 40     lb_kind NAT               #定义lvs模型
 41     persistence_timeout 50        #持久会话保持时长
 42     protocol TCP              #监控服务的协议类型
 43 
 44     real_server 192.168.201.100 443 {    #定义rs部分,地址端口
 45         weight 1                #lvs权重
 46         SSL_GET {               #监控检查的方式,常见的有HTTP_GET/SSL_GET/TCP_CHECK/MISC_CHECK
 47             url {                
 48               path /             #指定ssl——get健康检查路径
 49               digest ff20ad2481f97b1754ef3e12ecd3a9cc
 50             }                 #健康状态需要状态码,可以是status_code,digest,digest+status_code
 51             url {              #digest值用keepalived的genhash命令生产,一般使用status_code
 52               path /mrtg/
 53               digest 9b3a0c85a887a256d6939da88aabd8cd
 54             }
 55             connect_timeout 3      #3s五响应就超时,就判断为realserver不健康,需要重新连接
 56             nb_get_retry 3        #标识重试3次,防误伤
 57             delay_before_retry 3    #重试间隔3s
 58         }                  #总共12s才能判断故障节点,可以改小点
 59     }
 60 }
 61 
 62 virtual_server 10.10.10.2 1358 {      #定义所有rs宕机时,有哪台服务器提供服务
 63     delay_loop 6                #一般在keepalived给一个web页面,提示维护等。
 64     lb_algo rr 
 65     lb_kind NAT
 66     persistence_timeout 50
 67     protocol TCP
 68 
 69     sorry_server 192.168.200.200 1358
 70 
 71     real_server 192.168.200.2 1358 {
 72         weight 1
 73         HTTP_GET {
 74             url { 
 75               path /testurl/test.jsp
 76               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
 77             }
 78             url { 
 79               path /testurl2/test.jsp
 80               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
 81             }
 82             url { 
 83               path /testurl3/test.jsp
 84               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
 85             }
 86             connect_timeout 3
 87             nb_get_retry 3
 88             delay_before_retry 3
 89         }
 90     }
 91 
 92     real_server 192.168.200.3 1358 {
 93         weight 1
 94         HTTP_GET {
 95             url { 
 96               path /testurl/test.jsp
 97               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334c
 98             }
 99             url { 
100               path /testurl2/test.jsp
101               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334c
102             }
103             connect_timeout 3
104             nb_get_retry 3
105             delay_before_retry 3
106         }
107     }
108 }
109 
110 virtual_server 10.10.10.3 1358 {
111     delay_loop 3
112     lb_algo rr 
113     lb_kind NAT
114     persistence_timeout 50
115     protocol TCP
116 
117     real_server 192.168.200.4 1358 {
118         weight 1
119         HTTP_GET {
120             url { 
121               path /testurl/test.jsp
122               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
123             }
124             url { 
125               path /testurl2/test.jsp
126               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
127             }
128             url { 
129               path /testurl3/test.jsp
130               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
131             }
132             connect_timeout 3
133             nb_get_retry 3
134             delay_before_retry 3
135         }
136     }
137 
138     real_server 192.168.200.5 1358 {
139         weight 1
140         HTTP_GET {
141             url { 
142               path /testurl/test.jsp
143               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
144             }
145             url { 
146               path /testurl2/test.jsp
147               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
148             }
149             url { 
150               path /testurl3/test.jsp
151               digest 640205b7b0fc66c1ea91c463fac6334d
152             }
153             connect_timeout 3
154             nb_get_retry 3
155             delay_before_retry 3
156         }
157     }
158 }

     

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