【分布式技术】KeepAlived高可用架构科普

Keepalived 架构详解

Keepalived 是一个基于 VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol） 的高可用性（High Availability, HA）解决方案，主要用于保障服务的持续性和可靠性。它的核心目标是通过自动故障转移（Failover）和健康检查机制，确保在服务器或服务出现故障时，能够无缝切换到备用节点，从而实现服务的不间断运行。

一、核心架构组件

Keepalived 的架构主要由以下三个核心模块组成：

1. Core 模块

   • 功能：负责 Keepalived 的主进程启动、全局配置文件的加载与解析，以及基础服务的初始化。
   • 作用：作为整个系统的控制中枢，管理其他模块的运行状态和生命周期。

2. Check 模块

   • 功能：提供健康检查（Health Check）功能，支持对本地服务（如 Nginx、HAProxy）或远程服务（如 TCP/HTTP 端口）的监控。
   • 作用：通过周期性检查服务的可用性，判断节点是否正常运行，并触发故障转移或通知机制。

3. VRRP 模块

   • 功能：实现 VRRP 协议的核心逻辑，包括虚拟 IP（VIP）的分配、主备节点的选举、心跳检测等。
   • 作用：通过 VRRP 协议动态管理主备节点的状态，确保虚拟 IP 的高可用性。

二、VRRP 协议详解

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）是 Keepalived 实现高可用性的关键技术，其核心思想是通过多台设备共享一个虚拟 IP 地址，形成一个虚拟路由器组（Virtual Router Group），从而实现冗余和故障转移。

1. VRRP 核心概念

• 虚拟路由器（Virtual Router）：由一组物理路由器（或服务器）组成，共享同一个虚拟 IP 和 MAC 地址。
• 虚拟 IP（VIP）：对外提供服务的 IP 地址，客户端通过 VIP 访问服务。
• Master（主节点）：当前负责处理流量的节点，定期发送 VRRP 广告报文（Advertisement）。
• Backup（备份节点）：待命节点，监听 Master 的广告报文，若超时未收到则接管 VIP。
• Priority（优先级）：节点的优先级（0-255），决定选举时的主备顺序。优先级越高，越容易成为 Master。
• Advert Int（广告间隔）：Master 发送广告报文的时间间隔（默认 1 秒）。
• Preempt（抢占模式）：若启用，Backup 在优先级高于当前 Master 时可强制接管；否则需等待 Master 失效。

2. VRRP 工作流程

1. 初始化阶段：所有节点广播自己的优先级，选举出初始的 Master。
2. 正常运行阶段：Master 定期发送广告报文（默认 1 秒），Backup 监听这些报文。
3. 故障检测阶段：Backup 连续 3 次未收到 Master 的广告报文，判定 Master 失效。
4. 故障转移阶段：Backup 通过优先级选举新的 Master，并绑定 VIP。
5. 恢复阶段：原 Master 恢复后，根据抢占模式决定是否重新成为 Master。

3. VRRP 通信机制

• 组播地址：VRRP 使用组播地址 224.0.0.18（IPv4）或 FF02::12（IPv6）发送广告报文。
• 协议号：VRRP 的 IP 协议号为 112。
• 认证方式：
  • 无认证：不加密，仅用于测试环境。
  • 简单密码认证（PASS）：通过明文密码验证报文合法性。
  • IPSEC 认证（AH）：通过 IPSEC 技术加密通信。

三、高可用架构模型

Keepalived 支持两种典型的高可用架构模型：

1. 主备模式（Active-Passive）

   • 特点：一个 Master 节点负责处理流量，Backup 节点处于待命状态。
   • 适用场景：适用于对资源利用率要求较低的场景，如数据库主从复制。
   • 优点：配置简单，故障转移快速。
   • 缺点：Backup 节点资源闲置，资源利用率低。

2. 双主模式（Active-Active）

   • 特点：多个 Master 节点同时处理流量，彼此互为备份。
   • 适用场景：适用于负载均衡场景（如 Nginx + Keepalived）。
   • 优点：资源利用率高，可承载更高并发流量。
   • 缺点：配置复杂，需额外处理资源冲突问题（如脑裂）。

四、健康检查机制

Keepalived 的健康检查模块（Check 模块）通过以下方式确保服务的可用性：

1. 本地服务检查

   • 脚本检查：通过自定义脚本（如 check_nginx.sh）检查本地服务的运行状态。
   • 进程检查：检查关键进程（如 Nginx、HAProxy）是否存活。

2. 远程服务检查

   • TCP 检查：通过 TCP 连接检测目标端口是否开放。
   • HTTP 检查：发送 HTTP 请求并验证响应码（如 200 OK）。
   • SMTP 检查：检查邮件服务器的可用性。

3. 权重调整

   • Weight（权重）：根据检查结果动态调整节点的优先级。例如，检查失败时降低节点的优先级，避免其被选为 Master。

五、配置文件详解

Keepalived 的配置文件（/etc/keepalived/keepalived.conf）通常包含以下部分：

global_defs {notification_email {[e-mail]}notification_email_from [e-mail]_server 127.0.0.1smtp_connect_timeout 30router_id LVS_MASTER  # 本节点的唯一标识
}vrrp_instance VI_1 {state MASTER          # 初始角色：MASTER 或 BACKUPinterface eth0        # 监听的网络接口virtual_router_id 51  # 虚拟路由器 ID（0-255）priority 100          # 优先级（100 > 90）advert_int 1          # 广告间隔（秒）authentication {auth_type PASS    # 认证类型auth_pass 1234    # 认证密码}virtual_ipaddress {192.168.1.100/24  # 虚拟 IP 地址}track_script {chk_nginx         # 引用健康检查脚本}
}vrrp_script chk_nginx {script "/etc/keepalived/check_nginx.sh"  # 健康检查脚本路径interval 2           # 检查间隔（秒）weight -20           # 检查失败时优先级降低的值fall 2               # 连续失败 2 次判定故障rise 1               # 连续成功 1 次判定恢复
}

配置文件关键参数说明：

• state：初始角色（MASTER/BACKUP）。
• virtual_router_id：虚拟路由器的唯一标识符，主备节点需相同。
• priority：节点优先级，数值越大越容易成为 Master。
• advert_int：广告报文发送间隔，单位为秒。
• virtual_ipaddress：虚拟 IP 地址，客户端通过此 IP 访问服务。
• track_script：引用健康检查脚本，用于动态调整节点状态。

六、高可用实现流程

1. 初始化阶段

   • 所有节点启动 Keepalived，广播自己的优先级。
   • 根据优先级选举出初始的 Master。

2. 正常运行阶段

   • Master 定期发送 VRRP 广告报文（默认 1 秒）。
   • Backup 监听广告报文，确认 Master 的状态。

3. 故障检测阶段

   • Backup 连续 3 次未收到广告报文，判定 Master 失效。
   • Backup 通过优先级选举新的 Master，并绑定 VIP。

4. 故障恢复阶段

   • 原 Master 恢复后，根据抢占模式（Preempt）决定是否重新成为 Master。
   • 如果启用抢占模式，高优先级节点会重新接管 VIP。

七、脑裂问题与解决方案

脑裂（Split-Brain） 是 Keepalived 高可用架构中最严重的故障之一，指主备节点因网络分区或配置错误同时认为对方失效，导致两个节点都尝试接管 VIP，造成服务冲突。

1. 脑裂的常见原因

• 网络分区：主备节点之间的网络中断，导致通信失败。
• 优先级配置错误：多个节点优先级相同，无法正确选举 Master。
• 系统资源不足：节点因资源耗尽无法处理 VRRP 报文。

2. 脑裂的解决方案

• 网络冗余：通过多网卡、多路由等方式提高网络可靠性。
• 仲裁机制：引入第三方仲裁节点（如共享存储或数据库）判断主备状态。
• 合理配置优先级：确保每个节点的优先级唯一，避免平票。
• 设置抢占模式：根据业务需求选择是否启用抢占模式。

八、应用场景与最佳实践

1. Web 服务高可用

   • 配合 Nginx 或 HAProxy 实现负载均衡和故障转移。
   • 示例配置：两台 Nginx 服务器 + Keepalived 实现双主模式。

2. 数据库高可用

   • 与 MySQL 主从复制结合，通过 Keepalived 实现主从切换。
   • 注意：需确保数据同步机制完善，避免脑裂导致数据不一致。

3. 云原生环境集成

   • 在 Kubernetes 中通过 Keepalived 实现 Ingress 控制器的高可用。
   • 示例：使用 MetalLB + Keepalived 提供稳定的外部 IP。

4. 性能监控与调优

   • 定期检查 VRRP 广告报文的频率和延迟。
   • 优化健康检查脚本的执行效率，避免误判。

九、总结

Keepalived 通过 VRRP 协议和健康检查机制，实现了高效的高可用架构。其核心优势在于：

• 简单易用：通过配置文件即可完成主备切换。
• 灵活扩展：支持多种健康检查方式和负载均衡策略。
• 稳定性高：通过抢占模式和优先级机制确保服务连续性。

然而，使用 Keepalived 时需注意：

• 网络可靠性：避免因网络问题导致脑裂。
• 合理配置优先级：确保主备节点的优先级唯一。
• 健康检查准确性：避免因误判导致不必要的故障转移。

通过合理的设计和配置，Keepalived 能够为关键业务系统提供可靠的高可用保障。