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Keepalived高可用切換過(guò)程

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Keepalived高可用切換過(guò)程
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一

keepalived簡(jiǎn)介

Keepalived對(duì)于運(yùn)維人員來(lái)說(shuō)是一款熟悉的高可用工具，在很多沒(méi)有原生實(shí)現(xiàn)分布式高可用的中間件和數(shù)據(jù)庫(kù)中都得到了廣泛的使用，例如keepalived+nginx實(shí)現(xiàn)對(duì)nginx的高可用，keepalived+MySQL實(shí)現(xiàn)對(duì)MySQL的高可用。
在各種分布式集群通過(guò)多副本多節(jié)點(diǎn)方式或者微服務(wù)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)高可用大行其道的今天，keepalived實(shí)現(xiàn)高可用的方式較為傳統(tǒng)，通過(guò)VIP飄逸的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的高可用。雖然這種方式有其存在的問(wèn)題，例如切換動(dòng)作較慢；沒(méi)有分布式選舉機(jī)制，容易在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差的場(chǎng)景下產(chǎn)生腦裂等問(wèn)題；但也有其優(yōu)勢(shì)，就是對(duì)中間件幾乎做到了0侵入，上手容易且適配簡(jiǎn)單。

由于keepalived存在的時(shí)間很長(zhǎng)，所以網(wǎng)絡(luò)上對(duì)于其部署和應(yīng)用的案例很多，這里我不再贅述其安裝步驟，這里主要介紹其一些模式和使用場(chǎng)景，以及通過(guò)抓包的方式展現(xiàn)其高可用切換的流程。

二

Keepalived模式分類(lèi)

Keepalived可以按照搶占模式和心跳機(jī)制分為5種模式。

2.1 非搶占模式

非搶占意思為當(dāng)master宕機(jī)，在backup中選取主機(jī)為新的master，并修改將VIP給予新的master后。當(dāng)原來(lái)的master恢復(fù)后，VIP依舊保持在新的master上，不再遷移。
這種情況主要針對(duì)崩潰主機(jī)恢復(fù)后依然會(huì)崩潰的場(chǎng)景下，例如需要對(duì)舊master的MySQL進(jìn)行檢查修復(fù)，此時(shí)需要啟動(dòng)MySQL，防止啟動(dòng)后VIP進(jìn)行切換。

2.1.1 配置方式

  • 1）將所有主機(jī)的優(yōu)先級(jí)priority配置相同；
  • 2）將所有主機(jī)的主備模式配置為BACKUP。

2.1.2 適用場(chǎng)景

  • 1）適合master和backup的服務(wù)器配置相同，backup具有master相同的承載能力，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定承載業(yè)務(wù)的場(chǎng)景。
  • 2）適合master與backup網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)較大的場(chǎng)景，減少vip在master和backup上頻繁飄逸。

2.2 搶占模式

搶占意思為當(dāng)master宕機(jī)，在backup中選取主機(jī)為新的master，并修改將VIP給予新的master后。當(dāng)原來(lái)的master恢復(fù)后，VIP從新的master轉(zhuǎn)移到舊的master上面。
這樣配置有缺點(diǎn)：如果短時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)頻繁，vip會(huì)頻繁飄移，而vip的飄逸需要時(shí)間，進(jìn)而可能會(huì)影響業(yè)務(wù)。

2.2.1 配置方式

  • 1）將master主機(jī)的優(yōu)先級(jí)大于其他的BACKUP。
  • 2）將master主機(jī)的主備模式配置為BACKUP，將其他主機(jī)主備模式配置為BACKUP。

2.2.2 適用場(chǎng)景

  • 1）適合master與backup服務(wù)器配置不同，backup性能低于master，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間承載業(yè)務(wù)。backup僅作為master臨時(shí)備份的場(chǎng)景。
  • 2）適合master與backup網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)較小的場(chǎng)景，當(dāng)master恢復(fù)后能及時(shí)切換回去。

2.3 靈活模式

靈活模式就是利用vrrp_script的weight值對(duì)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)priority進(jìn)行重新計(jì)算。這種場(chǎng)景適用于腳本監(jiān)聽(tīng)的情況，例如當(dāng)腳本檢測(cè)到應(yīng)用宕機(jī)后，就給master優(yōu)先級(jí)減去相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，此時(shí)就會(huì)發(fā)生切換。

2.3.1 配置方式

  • 1）將master主機(jī)的優(yōu)先級(jí)大于其他的BACKUP。
  • 2）在檢測(cè)腳本中配置weight值，可以影響每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)。
注：當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，發(fā)送VRRP通告報(bào)文的IP作為比較對(duì)象，IP較大者為MASTER。

2.3.2 適用場(chǎng)景

適合需要靈活配置的場(chǎng)景。

2.4 組播模式

組播模式是指keepalived發(fā)送VRRP心跳報(bào)文是通過(guò)組播的方式。
默認(rèn)情況下keepalived啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)加入設(shè)置的組播地址，進(jìn)而就能收到來(lái)自master的VRRP組播報(bào)文。組播地址可以在配置文件中通過(guò) vrrp_mcast_group 配置。同一虛擬路由組播地址必須配置相同，默認(rèn)的組播地址為 224.0.0.18。master每隔固定頻率向組播地址發(fā)送VRRP報(bào)文。BACKUP收到master的VRRP報(bào)文根據(jù)優(yōu)先級(jí)判斷是否需要搶占VIP，如果在規(guī)定時(shí)間3倍時(shí)間內(nèi)未收到來(lái)自master的VRRP報(bào)文，也會(huì)判斷master宕機(jī)，進(jìn)而搶占VIP。
所有BACKUP節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)處理MASTER發(fā)出的多播包，當(dāng)發(fā)現(xiàn)master的優(yōu)先級(jí)沒(méi)自己高，或者沒(méi)收到master的VRRP通告時(shí)，BACKUP將自己切換到master狀態(tài)。
#以下示例為三臺(tái)服務(wù)器都部署了keepalived組播模式，我們查看三臺(tái)服務(wù)器的組播地址發(fā)現(xiàn)，三臺(tái)服務(wù)器都加入了組播地址。

2.4.1 組播的優(yōu)勢(shì)

配置方便，由于配置文件中并未指定BACKUP的IP地址，而是通過(guò)組播的方式來(lái)進(jìn)行通訊。所以我們可以隨時(shí)向集群中添加節(jié)點(diǎn)，而不用重啟已運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)。

2.4.2 適用場(chǎng)景

  • 1）適用于支持組播的網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景。
  • 2）適用于后期需要向keepalived組內(nèi)添加其他節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景?？梢圆挥眯薷闹貑⑵渌膋eepalived，可以作為無(wú)感添加。

2.5 單播模式

keepalived不僅支持組播，還支持單播。組播是master在局域網(wǎng)內(nèi)向組播地址進(jìn)行發(fā)送VRRP報(bào)文，加入組播地址的BACKUP主機(jī)就會(huì)收到來(lái)自master的VRRP心跳報(bào)文，就可以判斷目前master的狀態(tài)。單播就是master通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)只向配置文件中指定的BACKUP發(fā)送VRRP報(bào)文。

2.5.1 單播的優(yōu)勢(shì)

  • 1）虛擬路由ID只是在組播的模式下有意義，因?yàn)樵诮M播模式下，BACKUP用來(lái)區(qū)分收到的組播VRRP報(bào)文是不是給自己的，所以在組播的模式下virtual_router_id在不同虛擬路由組不能重復(fù)。但是在單播中，采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，所以在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)virtual_router_id重復(fù)也是可以的。
  • 2）對(duì)環(huán)境的要求更低。可能某些環(huán)境下不支持組播。

2.5.2 適用場(chǎng)景

  • 1）適用于不支持組播的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，例如有些公有云不支持組播。

  • 2）適用于keepalived組內(nèi)成員后期變動(dòng)小場(chǎng)景。

三

組播模式配置

#這里進(jìn)行了配置的簡(jiǎn)化，只對(duì)關(guān)鍵的配置進(jìn)行了整理：
global_defs {
router_id k8s-11 #表示這臺(tái)主機(jī)的ID，默認(rèn)情況下為主機(jī)名
vrrp_skip_check_adv_addr #此配置為如果收到的報(bào)文和上一個(gè)報(bào)文是同一個(gè)路由器則跳過(guò)檢查報(bào)文中的源地址。主要為了提高性能
vrrp_iptables #避免生成iptables input鏈 規(guī)則
vrrp_strict #嚴(yán)格遵守VRRP協(xié)議,不允許狀況:1,沒(méi)有VIP地址,2.配置了單播,3.在VRRP版本2中有IPv6地址
vrrp_garp_interval 0 #ARP報(bào)文發(fā)送延遲
vrrp_gna_interval 0 #消息發(fā)送延遲
vrrp_mcast_group 224.0.0.18    #指定組播IP地址，默認(rèn)為224.0.0.18
}

vrrp_script check_nginx { #腳本配置
pass
}

vrrp_instance VI_1 {
state BACKUP #當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在此虛擬路由器上的狀態(tài)，狀態(tài)為MASTER或者BACKUP，一般都配置為backup，最終需要權(quán)重來(lái)進(jìn)行比較
interface ens33 #綁定為當(dāng)前虛擬路由器使用的物理接口，如eth0
virtual_router_id 11 #每個(gè)虛擬路由器唯一標(biāo)識(shí)，范圍0-255。同一組虛擬路由器的vrid需要保持一致。
priority 100 #當(dāng)前物理節(jié)點(diǎn)在此虛擬路由器的優(yōu)先級(jí)，范圍1-254
advert_int 1 #vrrp通告的時(shí)間間隔（心跳），默認(rèn)1s
authentication { #認(rèn)證機(jī)制
auth_type PASS
auth_pass 88888888
}

virtual_ipaddress { #配置虛擬IP
192.168.200.16 #指定VIP，不指定網(wǎng)卡，默認(rèn)為eth0。默認(rèn)為/32
192.168.200.17/24 dev ens33
#指定VIP的網(wǎng)卡
192.168.200.18/24 dev ens33 label ens33:1
#指定VIP的網(wǎng)卡label
}

track_script { #執(zhí)行腳本
check_nginx
}
}
注：最開(kāi)始學(xué)習(xí)keepalived的時(shí)候很好奇，keepalived是怎么知道其他BACKUP節(jié)點(diǎn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)默認(rèn)情況下keepalived的組播地址為224.0.0.18，master只需要將VRRP報(bào)文發(fā)送到這個(gè)地址就能被同一局域網(wǎng)內(nèi)所有其他啟動(dòng)keepalived并加入相同組播地址的服務(wù)器接收到。

組播模式下服務(wù)器抓包情況：

以下三臺(tái)服務(wù)器192.168.100.11-13服務(wù)器配置了keepalived組播模式，分別對(duì)三臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行了抓包。
我們可以看到，由于三臺(tái)服務(wù)器都加入了224.0.0.18這個(gè)組播地址，此時(shí)192.168.100.11為MASTER，192.168.100.11服務(wù)器向組播地址224.0.0.18發(fā)送了VRRP心跳報(bào)文，所以加入此組播地址的三臺(tái)服務(wù)器都收到了VRRP心跳報(bào)文。

四

單播模式配置

#和上面組播模式相似的配置不再進(jìn)行解釋。
global_defs {
router_id k8s-21
vrrp_skip_check_adv_addr
vrrp_iptables
# vrrp_strict #此選項(xiàng)必須關(guān)閉
vrrp_garp_interval 0
vrrp_gna_interval 0
}

vrrp_script check_nginx {
pass
}

vrrp_instance VI_2 {
state MASTER
interface ens33
virtual_router_id 21
priority 100
advert_int 2

authentication {
auth_type PASS
auth_pass 88888888
}

unicast_src_ip 192.168.100.21 #本機(jī)IP地址
unicast_peer {
192.168.100.22 #同一keepalived組內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)IP地址
192.168.100.23 #同一keepalived組內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)IP地址
}

virtual_ipaddress {
192.168.100.200/24 dev ens33 #虛擬VIP地址
}

track_script {
check_nginx
}
}

單播模式下服務(wù)器抓包情況：

以下三臺(tái)服務(wù)器192.168.100.21-23服務(wù)器配置了keepalived單播模式，此時(shí)192.168.100.21服務(wù)器為MASTER，我們?cè)谄渖线M(jìn)行抓包。發(fā)現(xiàn)在同一時(shí)刻，192.168.100.21分別向192.168.100.22-23發(fā)送了單播的VRRP心跳報(bào)文。

五

keepalived切換選舉過(guò)程

這里通過(guò)抓包的方式簡(jiǎn)單分析keepalived一些切換場(chǎng)景。

5.1 組播模式下master優(yōu)先級(jí)降低選舉過(guò)程

此處模擬192.168.100.11-13為一組keepalived，且192.168.11為master。
1）默認(rèn)情況下會(huì)master會(huì)一直發(fā)送組播消息，每隔一秒鐘向配置的組播地址發(fā)送報(bào)文，報(bào)文信息會(huì)包含此時(shí)master的優(yōu)先級(jí)的值。組播的默認(rèn)地址為224.0.0.18。
2）當(dāng)master上的檢測(cè)腳本發(fā)現(xiàn)nginx服務(wù)宕機(jī)，此時(shí)master的優(yōu)先級(jí)由100變?yōu)?0。master還是依舊每秒一次向組播地址發(fā)送自己的優(yōu)先級(jí)報(bào)文，此時(shí)BACKUP收到網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先級(jí)變化（優(yōu)先級(jí)不高于自己）的VRRP組播報(bào)文，所有BACKUP會(huì)立即激活搶占功能，向組播地址發(fā)送VRRP報(bào)文，報(bào)文包含自身目前的優(yōu)先級(jí)。
注：可以看到，當(dāng)BACKUP收到master優(yōu)先級(jí)變化的報(bào)文，幾乎是立即向組播地址內(nèi)發(fā)送自己優(yōu)先級(jí)的VRRP報(bào)文。
3）兩個(gè)BACKUP經(jīng)過(guò)優(yōu)先級(jí)對(duì)比，最終由于192.168.100.12優(yōu)先級(jí)為80，獲得VIP。并開(kāi)始向組播地址發(fā)送優(yōu)先級(jí)VRRP報(bào)文。

5.2 組播模式下當(dāng)BACKUP超時(shí)未收到master的報(bào)文

#這種情況為master宕機(jī)，或者master的keepalived進(jìn)程被kill。當(dāng)BACKUP超過(guò)配置文件中配置的VRRP報(bào)文頻率advert_int 3倍時(shí)長(zhǎng)后，BACKUP會(huì)發(fā)出VRRP報(bào)文，將VIP搶占。

通過(guò)以上抓包分析可見(jiàn)，keepalived的選舉機(jī)制是很簡(jiǎn)單的，就是簡(jiǎn)單利用心跳報(bào)文+節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行選舉master，這種方式不可避免的會(huì)產(chǎn)生分區(qū)腦裂的故障。如果要避免分區(qū)腦裂的問(wèn)題，目前成熟的解決方案是采用分布式選舉算法，例如zookeeper使用的ZAB算法，kafka使用的Raft算法。

六

VRRP協(xié)議報(bào)文頭

#共20byte。
6.1 通過(guò)抓包可以發(fā)現(xiàn)，VRRP協(xié)議是屬于網(wǎng)絡(luò)層上面的協(xié)議，不基于傳統(tǒng)的傳輸層TCP和UDP，所以它的通訊沒(méi)有端口的概念。VRRP協(xié)議內(nèi)置在Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中。
6.2 通過(guò)抓包我們可以發(fā)現(xiàn)VRRP報(bào)文只有20byte，但是包含了Virtual_ID，優(yōu)先級(jí)等信息。所以配置文件中這些配置非常重要。

6.3 通過(guò)抓包我們也可以很容易解釋為什么網(wǎng)上說(shuō)keepalived配置文件中的Virtual_ID必須要配置一樣，因?yàn)樵谕粋€(gè)組播地址中同一組keepalived的其他節(jié)點(diǎn)只會(huì)識(shí)別Virtual_ID與自己相同的VRRP報(bào)文。當(dāng)然，在同一個(gè)局域網(wǎng)中如果有多組keepalived都采用組播模式，那么必須滿(mǎn)足不同組keepalived的Virtual_ID必須不同，或者不同組keepalived的組播地址配置不同。不然會(huì)發(fā)生干擾，VIP可能會(huì)出現(xiàn)”跨組飄移”。

感謝大家的閱讀，VRRP還有一些小的細(xì)節(jié)處，需要大家共同的發(fā)掘探討。


本文作者：王旭東(上海新炬中北團(tuán)隊(duì)）

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