Nginx与Keepalived 实现站点高可用方案

1. 概述

1.1 Keepalived介绍

Keepalived是一个基于VRRP协议来实现的服务高可用方案，可以利用其来避免IP单点故障，类似的工具还有heartbeat、corosync、pacemaker。但是它一般不会单独出现，而是与其它负载均衡技术（如LVS、HAProxy、Nginx）一起工作来达到集群的高可用。

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol），即虚拟路由冗余协议。可以认为它是实现路由器高可用的容错协议，即将多台提供相同功能的路由器组成一个路由器组(Router Group)，这个组里面有一个master和多个backup，但在外界看来就像一台一样，构成虚拟路由器，拥有一个虚拟IP（vip，也就是路由器所在局域网内其他机器的默认路由），占有这个IP的master实际负责ARP相应和转发IP数据包，组中的其它路由器作为备份的角色处于待命状态。master会发组播消息，当backup在超时时间内收不到vrrp包时就认为master宕掉了，这时就需要根据VRRP的优先级来选举一个backup当master，保证路由器的高可用。

在VRRP协议实现里，虚拟路由器使用 00-00-5E-00-01-XX 作为虚拟MAC地址，XX就是唯一的 VRID （Virtual Router IDentifier），这个地址同一时间只有一个物理路由器占用。在虚拟路由器里面的物理路由器组里面通过多播IP地址 224.0.0.18 来定时发送通告消息。每个Router都有一个 1-255 之间的优先级别，级别最高的（highest priority）将成为主控（master）路由器。通过降低master的优先权可以让处于backup状态的路由器抢占（pro-empt）主路由器的状态，两个backup优先级相同的IP地址较大者为master，接管虚拟IP。

VRRP结构图

一般Keepalived用于实现前端高可用，常用的前端高可用的组合有，就是我们常见的LVS+Keepalived、Nginx+Keepalived、HAproxy+Keepalived。

1.2 Nginx + Keepalived

keepalived可以认为是VRRP协议在Linux上的实现，主要有三个模块，分别是core、check和vrrp。core模块为keepalived的核心，负责主进程的启动、维护以及全局配置文件的加载和解析。check负责健康检查，包括常见的各种检查方式。vrrp模块是来实现VRRP协议的。本文基于如下的拓扑图：

Nginx + Keepalived部署结构图

2. 规划与准备工作

关闭SELinux

为了保证Nginx和Keepalived之间的正常数据通信，需要关闭Linux的SELinux。

 [root@localhost ~]# vi /etc/sysconfig/selinux 
 # This file controls the state of SELinux on the system.
 # SELINUX= can take one of these three values:
 #       enforcing - SELinux security policy is enforced.
 #       permissive - SELinux prints warnings instead of enforcing.
 #       disabled - SELinux is fully disabled.
 SELINUX=disabled
 # SELINUXTYPE= type of policy in use. Possible values are:
 #       targeted - Only targeted network daemons are protected.
 #       strict - Full SELinux protection.
 SELINUXTYPE=targeted

配置iptables

配置iptables，允许相应的端口通信。

 [root@Docker-OA-98 ~]# vi /etc/sysconfig/iptables
*filter
:INPUT ACCEPT [0:0]
:FORWARD ACCEPT [0:0]
:OUTPUT ACCEPT [0:0]
-A INPUT -m state --state RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A INPUT -p icmp -j ACCEPT
-A INPUT -i lo -j ACCEPT
-A INPUT -p tcp -m state --state NEW -m tcp --dport 22 -j ACCEPT
-A INPUT -p tcp -m state --state NEW -m tcp --dport 80 -j ACCEPT
-A INPUT -p tcp -m state --state NEW -m tcp --dport 89 -j ACCEPT
-A INPUT -p tcp -m state --state NEW -m tcp --dport 9080 -j ACCEPT
# 允许VRRP（虚拟路由冗余协议）通信
-A INPUT -p vrrp -j ACCEPT
# 允许Keepalived虚拟路由组播地址通信
-A INPUT -d 224.0.0.18 -j ACCEPT
-A INPUT -j REJECT --reject-with icmp-host-prohibited
-A FORWARD -j REJECT --reject-with icmp-host-prohibited
COMMIT

环境规划

序号	服务器名称	主机名	IP地址	操作系统	备注
1	VIP1(Keepalived)	无	192.168.1.100	-	虚拟节点
2	VIP2(Keepalived)	无	192.168.1.101	-	主主模式
3	Nginx 01	Nginx-A-98	192.168.1.98	CentOS LInux 7.3
4	Nginx 02	Nginx-B-99	192.168.1.99	CentOS LInux 7.3
5	Tomcat 01	Tomcat-Web-91	192.168.202.91	CentOS LInux 7.3
6	Tomcat 02	Tomcat-Web-92	192.168.202.92	CentOS LInux 7.3
7	Tomcat 03	Tomcat-Web-93	192.168.202.93	CentOS LInux 7.3

3. 安装、部署Nginx与Keepalived

3.1 安装Nginx与Keepalived

分别在服务器Nginx 01和Nginx 02安装Nginx和Keepalived。

# 安装Nginx
[root@Docker-OA-98 ~]# yum -y install nginx

# 安装Keepalived
[root@Docker-OA-98 ~]# yum -y install keepalived

3.2 配置Nginx负载均衡

分别在服务器Nginx 01和Nginx02上配置Nginx的应用负载均衡。

[root@Docker-OA-98 ~]# vi /etc/nginx/nginx.conf
upstream application01 {
  ip_hash;
  server 192.168.202.91:8080;
  server 192.168.202.92:8080;
  server 192.168.202.93:8080;
}

server {
    listen   80;
    listen   [::]:80;
    server_name  service.test01.com;
    #root         /usr/share/nginx/html;

    location / {
        proxy_pass  http://application01/;
        proxy_set_header  Host  $host;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_set_header  X-Real-IP     $remote_addr;

        access_log  /var/log/nginx/access.ecology.log  main;

        client_max_body_size 100m;
        client_body_buffer_size 1024k;

        proxy_connect_timeout 5000;
        proxy_read_timeout 5000;
        proxy_send_timeout 6000;
        proxy_buffer_size 1024k;
        proxy_buffers 4 512k;
        proxy_busy_buffers_size 1024k;
        proxy_temp_file_write_size 1024k;
    }

}

4. 高可用方案 -- 主主模式

主主模式

Nginx 01服务器Keepalived脚本配置

 [root@Nginx-A-98 src]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf
  vrrp_script chk_nginx {
     script "/etc/keepalived/nginx_check.sh"    # 检测nginx状态的脚本路径
     interval 2                    # 检测时间间隔2s
     weight -20                    # 如果脚本的条件成立，权重-20
  }

  vrrp_instance VI_1 {            # VRRP实例名；多实例的情况下，名称必须不一致
      state MASTER                # 服务状态；MASTER（工作状态）BACKUP（备用状态）
      interface eth0              # VIP绑定网卡
      virtual_router_id 51        # 虚拟路由ID，主、备节点必须一致；多实例的情况下，ID必须不一致
      mcast_src_ip 192.168.1.98  # 本机IP
      nopreempt                   # 优先级高的设置，解决异常回复后再次抢占的问题
      priority 100                # 优先级；取值范围：0~254；MASTER > BACKUP
      advert_int 1                # 组播信息发送间隔，主、备节点必须一致，默认1s
      authentication {            # 验证信息；主、备节点必须一致
          auth_type PASS          # VRRP验证类型，PASS、AH两种
          auth_pass 1111          # VRRP验证密码，在同一个vrrp_instance下，主、从必须使用相同的密码才能正常通信
      }
       track_script {             # 将track_script块加入instance配置块
          chk_nginx               # 执行Nginx监控的服务
      }
      virtual_ipaddress {         # 虚拟IP池，主、备节点必须一致，可以定义多个VIP
          192.168.1.100            # 虚拟IP
      }
  }

 vrrp_instance VI_2 {
      state BACKUP
      interface eth0
      virtual_router_id 52
      mcast_src_ip 192.168.1.98
      priority 90
      advert_int 1
      authentication {
          auth_type PASS
          auth_pass 1111
      }
      track_script {
          chk_nginx
      }
      virtual_ipaddress {
          192.168.1.101
      }
}

Nginx 02服务器Keepalived配置

[root@Nginx-B-99 src]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf
  vrrp_script chk_nginx {
     script "/etc/keepalived/nginx_check.sh"
     interval 2
     weight -20
  }

  vrrp_instance VI_1 {
      state BACKUP
      interface eth0
      virtual_router_id 51
      mcast_src_ip 192.168.1.99
      priority 90
      advert_int 1
      authentication {
          auth_type PASS
          auth_pass 1111
      }
      track_script {
          chk_nginx
      }
      virtual_ipaddress {
          192.168.1.100
      }   
  }   

  vrrp_instance VI_2 {
      state MASTER
      interface eth0
      virtual_router_id 52
      mcast_src_ip 192.168.1.99
      nopreempt
      priority 100
      advert_int 1
      authentication {
          auth_type PASS
          auth_pass 1111
      }
      track_script {
          chk_nginx
      }
      virtual_ipaddress {
          192.168.1.101
      }
  }

Nginx状态监测脚本

分别在服务器Nginx 01和Nginx 02上添加Nginx状态监测脚本。

  [root@Nginx-A-98 keepalived]# vim /etc/keepalived/nginx_check.sh
  #!/bin/bash
  A=`ps -C nginx –no-header |wc -l`
  if [ $A -eq 0 ];then
          /usr/local/nginx/sbin/nginx
          sleep 2
          if [ `ps -C nginx --no-header |wc -l` -eq 0 ];then
                  killall keepalived
          fi
  fi

我们也可以根据自己的业务需求，总结出在什么情形下关闭keepalived，如 curl 主页连续2个5s没有响应则切换：

#!/bin/bash

count = 0
for (( k=0; k<2; k++ )) 
do 
    check_code=$( curl --connect-timeout 3 -sL -w "%{http_code}\\n" http://localhost/login.html -o /dev/null )
    if [ "$check_code" != "200" ]; then
        count = count +1
        continue
    else
        count = 0
        break
    fi
done
if [ "$count" != "0" ]; then
#   /etc/init.d/keepalived stop
    exit 1
else
    exit 0
fi

5. 高可用方案 -- 主从模式

主从模式

Nginx 01服务器Keepalived脚本配置

 [root@Nginx-A-98 src]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf
  vrrp_script chk_nginx {
     script "/etc/keepalived/nginx_check.sh"    # 检测nginx状态的脚本路径
     interval 2                    # 检测时间间隔2s
     weight -20                    # 如果脚本的条件成立，权重-20
  }

  vrrp_instance VI_1 {            # VRRP实例名；多实例的情况下，名称必须不一致
      state MASTER                # 服务状态；MASTER（工作状态）BACKUP（备用状态）
      interface eth0              # VIP绑定网卡
      virtual_router_id 51        # 虚拟路由ID，主、备节点必须一致；多实例的情况下，ID必须不一致
      mcast_src_ip 192.168.1.98  # 本机IP
      nopreempt                   # 优先级高的设置，解决异常回复后再次抢占的问题
      priority 100                # 优先级；取值范围：0~254；MASTER > BACKUP
      advert_int 1                # 组播信息发送间隔，主、备节点必须一致，默认1s
      authentication {            # 验证信息；主、备节点必须一致
          auth_type PASS          # VRRP验证类型，PASS、AH两种
          auth_pass 1111          # VRRP验证密码，在同一个vrrp_instance下，主、从必须使用相同的密码才能正常通信
      }
       track_script {             # 将track_script块加入instance配置块
          chk_nginx               # 执行Nginx监控的服务
      }
      virtual_ipaddress {         # 虚拟IP池，主、备节点必须一致，可以定义多个VIP
          192.168.1.100            # 虚拟IP
      }
  }

Nginx 02服务器Keepalived配置

[root@Nginx-B-99 src]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf
  vrrp_script chk_nginx {
     script "/etc/keepalived/nginx_check.sh"
     interval 2
     weight -20
  }

  vrrp_instance VI_1 {
      state BACKUP
      interface eth0
      virtual_router_id 51
      mcast_src_ip 192.168.1.99
      priority 90
      advert_int 1
      authentication {
          auth_type PASS
          auth_pass 1111
      }
      track_script {
          chk_nginx
      }
      virtual_ipaddress {
          192.168.1.100
      }   
  }

Nginx状态监测脚本

分别在服务器Nginx 01和Nginx 02上添加Nginx状态监测脚本。

  [root@Nginx-A-98 keepalived]# vim /etc/keepalived/nginx_check.sh
  #!/bin/bash
  A=`ps -C nginx –no-header |wc -l`
  if [ $A -eq 0 ];then
          /usr/local/nginx/sbin/nginx
          sleep 2
          if [ `ps -C nginx --no-header |wc -l` -eq 0 ];then
                  killall keepalived
          fi
  fi

6. Keepalived配置选项说明

6.1 global_defs

notification_email ： keepalived在发生诸如切换操作时需要发送email通知地址，后面的 smtp_server 相比也都知道是邮件服务器地址。也可以通过其它方式报警，毕竟邮件不是实时通知的。
router_id ：机器标识，通常可设为hostname。故障发生时，邮件通知会用到

6.2 vrrp_instance

state ：指定instance(Initial)的初始状态，就是说在配置好后，这台服务器的初始状态就是这里指定的，但这里指定的不算，还是得要通过竞选通过优先级来确定。如果这里设置为MASTER，但如若他的优先级不及另外一台，那么这台在发送通告时，会发送自己的优先级，另外一台发现优先级不如自己的高，那么他会就回抢占为MASTER
interface ：实例绑定的网卡，因为在配置虚拟IP的时候必须是在已有的网卡上添加的
mcast_src_ip ：发送多播数据包时的源IP地址，这里注意了，这里实际上就是在那个地址上发送VRRP通告，这个非常重要，一定要选择稳定的网卡端口来发送，这里相当于heartbeat的心跳端口，如果没有设置那么就用默认的绑定的网卡的IP，也就是interface指定的IP地址
virtual_router_id ：这里设置VRID，这里非常重要，相同的VRID为一个组，他将决定多播的MAC地址
priority ：设置本节点的优先级，优先级高的为master
advert_int ：检查间隔，默认为1秒。这就是VRRP的定时器，MASTER每隔这样一个时间间隔，就会发送一个advertisement报文以通知组内其他路由器自己工作正常
authentication ：定义认证方式和密码，主从必须一样
virtual_ipaddress ：这里设置的就是VIP，也就是虚拟IP地址，他随着state的变化而增加删除，当state为master的时候就添加，当state为backup的时候删除，这里主要是有优先级来决定的，和state设置的值没有多大关系，这里可以设置多个IP地址
track_script ：引用VRRP脚本，即在 vrrp_script 部分指定的名字。定期运行它们来改变优先级，并最终引发主备切换。

6.3 vrrp_script

告诉 keepalived 在什么情况下切换，所以尤为重要。可以存在多个 vrrp_script。

script ：自己写的检测脚本。也可以是一行命令如killall -0 nginx
interval 2 ：每2s检测一次
weight -5 ：检测失败（脚本返回非0）则优先级 -5
fall 2 ：检测连续 2 次失败才算确定是真失败。会用weight减少优先级（1-255之间）
rise 1 ：检测 1 次成功就算成功。但不修改优先级

这里要提示一下script一般有2种写法：

通过脚本执行的返回结果，改变优先级，keepalived继续发送通告消息，backup比较优先级再决定
脚本里面检测到异常，直接关闭keepalived进程，backup机器接收不到advertisement会抢占IP

上文 vrrp_script 配置部分，killall -0 nginx属于第1种情况，/etc/keepalived/check_nginx.sh属于第2种情况（脚本中关闭keepalived）。个人更倾向于通过shell脚本判断，但有异常时exit 1，正常退出exit 0，然后keepalived根据动态调整的 vrrp_instance 优先级选举决定是否抢占VIP：

如果脚本执行结果为0，并且weight配置的值大于0，则优先级相应的增加
如果脚本执行结果非0，并且weight配置的值小于0，则优先级相应的减少

其他情况，原本配置的优先级不变，即配置文件中priority对应的值。

提示：

优先级不会不断的提高或者降低

可以编写多个检测脚本并为每个检测脚本设置不同的weight（在配置中列出就行）

不管提高优先级还是降低优先级，最终优先级的范围是在[1,254]，不会出现优先级小于等于0或者优先级大于等于255的情况

在MASTER节点的 vrrp_instance 中配置 nopreempt ，当它异常恢复后，即使它 prio 更高也不会抢占，这样可以避免正常情况下做无谓的切换