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从原理到实践：LVS+Keepalived构建高可用负载均衡集群

news 2025/9/11 6:16:47

从原理到实践：LVS+Keepalived构建高可用负载均衡集群

文章目录

  • 从原理到实践：LVS+Keepalived构建高可用负载均衡集群
    • 一、为什么需要LVS+Keepalived？
    • 二、核心原理：Keepalived与VRRP协议
      • 1. VRRP的核心思想
      • 2. Keepalived的三大功能
    • 三、LVS+Keepalived集群拓扑设计
    • 四、实战部署：LVS+Keepalived集群搭建
      • 阶段1：环境准备
      • 阶段2：配置主从调度器（核心步骤）
        • 1. 主调度器配置（192.168.10.73）
        • 2. 从调度器配置（192.168.10.74）
        • 3. 启动Keepalived服务
      • 阶段3：配置Web节点（DR模式必需）
    • 五、集群测试与验证
      • 1. 负载均衡测试
      • 2. 高可用（故障切换）测试
        • （1）主调度器故障测试
        • （2）Web节点故障测试
      • 3. 日志查看
    • 六、常见问题与解决方案
    • 七、总结

在企业级应用部署中，“单点故障”是悬在运维人员头顶的“达摩克利斯之剑”——单台服务器一旦宕机，服务中断、业务停滞、用户流失等问题便会接踵而至。为解决这一痛点，LVS（Linux Virtual Server）与Keepalived的组合成为了构建高可用负载均衡集群的经典方案。本文将从原理剖析入手，一步步带大家掌握LVS+Keepalived集群的部署与实战技巧。

一、为什么需要LVS+Keepalived？

在传统的单服务器或单纯LVS部署中，存在两大核心隐患：

  1. 单点故障风险：无论是单独的Web服务器，还是LVS调度器，一旦出现硬件故障或软件崩溃，整个服务链路便会中断。
  2. 负载与可用性失衡：单纯的LVS能实现负载均衡，但调度器本身没有冗余机制；单纯的双机热备能解决单点问题，却无法分担访问压力。

而LVS+Keepalived的组合恰好弥补了这些不足：

  • LVS：作为四层负载均衡器，负责将客户端请求高效分发到后端服务器池，支撑高并发访问。
  • Keepalived：基于VRRP协议实现调度器的热备冗余，同时提供节点健康检查，确保集群“零中断”运行。

二、核心原理：Keepalived与VRRP协议

想要用好LVS+Keepalived，首先要理解其核心——VRRP（虚拟路由冗余协议） ，这是Keepalived实现高可用的底层逻辑。

1. VRRP的核心思想

VRRP将多台服务器（或路由器）组成一个“热备组”，通过一个虚拟IP（VIP） 对外提供服务。热备组内有明确的角色分工：

  • 主节点（MASTER）：优先级最高的节点，负责处理客户端请求，同时定期向备节点发送“心跳”消息。
  • 备节点（BACKUP）：处于待命状态，持续监听主节点的心跳；一旦检测到主节点失效，立即通过优先级选举接替VIP，成为新的主节点。

这种“虚拟IP漂移”机制，能在主节点故障时实现毫秒级切换，对客户端完全透明。

2. Keepalived的三大功能

Keepalived并非只为LVS设计，但其与LVS的适配性堪称完美，核心功能可概括为三点：

  1. 故障自动切换（Failover）：基于VRRP实现主备调度器的无缝切换，避免调度器单点故障。
  2. 节点健康检查（Health Checking）：定期检测后端真实服务器（如Web节点）的状态，自动剔除故障节点，待节点恢复后再重新加入集群。
  3. LVS集群管理：可直接调用ipvsadm工具配置LVS虚拟服务器、管理后端节点，无需手动执行复杂命令。

三、LVS+Keepalived集群拓扑设计

一个标准的LVS+Keepalived集群至少包含以下角色（以Web服务为例），拓扑结构如下：

[Internet] → [外网交换机] → [主调度器（MASTER）/从调度器（BACKUP）] → [内网交换机]↓[Web服务器池（节点1~节点N）] ← [NFS共享存储]

各组件说明：

  • 调度器（2台）：主调度器（如192.168.10.73）、从调度器（如192.168.10.74），共享VIP（如192.168.10.72）。
  • Web节点（N台）：运行Web服务，通过NFS共享存储保证内容一致性（如节点IP：192.168.10.77~80）。
  • NFS服务器（1台）：存储Web站点文件，避免各节点内容不一致问题（如IP：192.168.10.250）。

四、实战部署：LVS+Keepalived集群搭建

以下部署基于CentOS 7系统，假设已配置好基础网络、关闭防火墙（或开放必要端口）及SELinux。

阶段1：环境准备

  1. 安装依赖工具：所有节点均需安装基础工具，调度器额外安装ipvsadm和Keepalived。

    # 所有节点安装基础工具
yum install -y net-tools vim# 主从调度器安装ipvsadm和Keepalived
yum install -y ipvsadm keepalived

  2. 配置NFS共享（仅NFS服务器操作）：

    # 安装NFS服务
yum install -y nfs-utils rpcbind# 创建共享目录并授权
mkdir -p /var/www/html
chmod 777 /var/www/html# 配置exports文件
echo "/var/www/html 192.168.10.0/24(rw,sync,no_root_squash)" >> /etc/exports# 启动服务并设置开机自启
systemctl start rpcbind nfs
systemctl enable rpcbind nfs

  3. 挂载NFS到Web节点（所有Web节点操作）：

    # 创建Web目录并挂载NFS
mkdir -p /var/www/html
mount -t nfs 192.168.10.250:/var/www/html /var/www/html# 设置开机自动挂载
echo "192.168.10.250:/var/www/html /var/www/html nfs defaults 0 0" >> /etc/fstab

  4. 部署Web服务（所有Web节点操作）：

    # 安装Apache
yum install -y httpd# 为每个节点创建差异化测试页面（便于后续验证负载均衡）
echo "Web Node 1 (192.168.10.77)" > /var/www/html/index.html  # 节点1
echo "Web Node 2 (192.168.10.78)" > /var/www/html/index.html  # 节点2
# 其余节点同理# 启动Apache并设置开机自启
systemctl start httpd
systemctl enable httpd

阶段2：配置主从调度器（核心步骤）

Keepalived的配置核心是/etc/keepalived/keepalived.conf，主从调度器的配置差异仅在于router_id、state和priority三个参数。

1. 主调度器配置（192.168.10.73）

编辑主配置文件：

vim /etc/keepalived/keepalived.conf

配置内容如下：

! Configuration File for keepalived# 全局参数配置
global_defs {router_id HA_MASTER  # 主调度器标识（唯一）
}# VRRP热备实例配置
vrrp_instance VI_1 {state MASTER  # 角色：主节点interface ens33  # 承载VIP的物理网卡（根据实际网卡名修改）virtual_router_id 1  # 虚拟路由ID（主从必须一致，范围0-255）priority 100  # 优先级（主节点需高于备节点，如100）advert_int 1  # 心跳间隔（1秒）# 认证配置（主从必须一致）authentication {auth_type PASSauth_pass 123456}# 虚拟IP（VIP）virtual_ipaddress {192.168.10.72/24  # 集群对外服务的VIP}
}# LVS虚拟服务器配置（关联后端Web节点）
virtual_server 192.168.10.72 80 {delay_loop 6  # 健康检查间隔（6秒）lb_algo rr  # 负载均衡算法（rr：轮询；wrr：加权轮询；lc：最小连接）lb_kind DR  # LVS工作模式（DR：直接路由模式，性能最优）persistence_timeout 50  # 会话保持时间（50秒内同一客户端请求定向到同一节点）protocol TCP  # 协议类型# 后端Web节点1配置real_server 192.168.10.77 80 {weight 1  # 权重（数值越大，分配到的请求越多）# 健康检查方式（TCP_CHECK：端口检查）TCP_CHECK {connect_timeout 3  # 连接超时时间（3秒）retry 3  # 重试次数delay_before_retry 3  # 重试间隔}}# 后端Web节点2配置（其余节点同理）real_server 192.168.10.78 80 {weight 1TCP_CHECK {connect_timeout 3retry 3delay_before_retry 3}}
}
2. 从调度器配置（192.168.10.74）

从调度器配置与主调度器基本一致，仅需修改3处参数：

global_defs {router_id HA_BACKUP  # 从调度器标识（唯一）
}vrrp_instance VI_1 {state BACKUP  # 角色：备节点interface ens33virtual_router_id 1priority 90  # 优先级（低于主节点，如90）advert_int 1authentication {auth_type PASSauth_pass 123456}virtual_ipaddress {192.168.10.72/24}
}# LVS虚拟服务器配置与主调度器完全一致，此处省略
3. 启动Keepalived服务

主从调度器均执行以下命令：

# 启动服务
systemctl start keepalived
# 设置开机自启
systemctl enable keepalived
# 查看服务状态
systemctl status keepalived

阶段3：配置Web节点（DR模式必需）

LVS-DR模式下，Web节点需要绑定VIP到回环网卡，并调整ARP响应参数，避免IP冲突：

  1. 创建配置脚本：
    vim /usr/local/sbin/lvs_dr_real.sh
  2. 脚本内容如下：
    #!/bin/bash
VIP=192.168.10.72
# 绑定VIP到回环网卡
ifconfig lo:0 $VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $VIP up
# 添加路由（避免VIP数据包通过物理网卡发送）
route add -host $VIP dev lo:0
# 关闭ARP响应（防止节点响应VIP的ARP请求）
echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
  3. 执行脚本并设置开机自启：
    # 赋予执行权限
chmod +x /usr/local/sbin/lvs_dr_real.sh
# 执行脚本
sh /usr/local/sbin/lvs_dr_real.sh
# 添加到rc.local实现开机自启
echo "/usr/local/sbin/lvs_dr_real.sh" >> /etc/rc.local
chmod +x /etc/rc.local

五、集群测试与验证

部署完成后，需从高可用和负载均衡两个维度进行测试，确保集群功能正常。

1. 负载均衡测试

在客户端浏览器中多次访问http://192.168.10.72（VIP），观察页面内容是否在“Web Node 1”“Web Node 2”等节点间轮询切换——若切换，则说明LVS负载均衡生效。

也可通过调度器执行ipvsadm -lnc命令，查看连接记录，验证请求是否分发到各后端节点：

ipvsadm -lnc  # 查看当前连接状态

2. 高可用（故障切换）测试

（1）主调度器故障测试
  1. 在主调度器上禁用网卡（模拟故障）：
    ifdown ens33
  2. 在从调度器上执行ip addr命令，查看是否已绑定VIP（192.168.10.72）——若绑定，则说明故障切换成功。
  3. 客户端继续访问http://192.168.10.72，确认服务是否正常可用。
  4. 恢复主调度器网卡：
    ifup ens33
    由于主调度器优先级更高，会重新抢占VIP，从调度器将释放VIP。
（2）Web节点故障测试
  1. 停止某台Web节点的Apache服务（模拟故障）：
    systemctl stop httpd
  2. 在调度器上执行ipvsadm -ln命令，查看该节点是否已被标记为“Inactive”——若标记，则说明健康检查生效，故障节点已被剔除。
  3. 客户端访问VIP，确认请求是否不再分发到故障节点。
  4. 恢复Apache服务：
    systemctl start httpd
    调度器会自动检测到节点恢复，将其重新加入集群。

3. 日志查看

Keepalived的故障切换日志默认记录在/var/log/messages中，可通过以下命令查看切换过程：

tail -f /var/log/messages | grep Keepalived  # 实时查看Keepalived日志

六、常见问题与解决方案

  1. VIP无法漂移：

    • 检查主从调度器的virtual_router_id、auth_pass是否一致。
    • 确认主调度器优先级是否高于从调度器。
    • 检查防火墙是否阻止VRRP协议（VRRP使用224.0.0.18多播地址，需开放）。

  2. Web节点无法访问VIP：

    • 确认Web节点的lvs_dr_real.sh脚本是否执行成功，lo:0接口是否绑定VIP。
    • 检查arp_ignore和arp_announce参数是否设置正确。

  3. 负载均衡失效：

    • 确认LVS工作模式（DR）与Web节点配置是否匹配。
    • 检查ipvsadm规则是否正确（可通过ipvsadm -ln查看）。

七、总结

LVS+Keepalived集群通过“LVS负载均衡+Keepalived高可用”的双重保障，完美解决了企业级应用的单点故障和高并发压力问题。其核心在于VRRP协议的虚拟IP漂移机制，以及Keepalived的健康检查能力。

在实际部署中，需注意主从调度器的配置一致性、Web节点的ARP参数调整、日志的实时监控等细节——这些细节直接决定了集群的稳定性。掌握这套方案，能为企业业务的持续运行提供坚实的技术支撑。


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