HA & 负载均衡—keepalived（vrrp部分）

VRRP介绍

协议介绍：虚拟路由冗余协议(Virtual Router Redundancy Protocol，简称VRRP)是由IETF提出的解决局域网中配置静态网关出现单点失效现象的路由协议（摘自百度百科）

• ipv4协议字段：

  • Source Address：vrrp组播报文的源ip地址
  • Destination Address：vrrp组播报文的目的ip地址，IANA分配给vrrp的地址为224.0.0.18
  • TTL：固定为255，如果vrrp接收端程序收到的TTL不为255，将丢弃这个包
  • Protocol：vrrp协议的协议号是112

• vrrp协议字段,如图：

  • version：vrrp协议版本，keepalived用的是版本2
  • type：vrrp包的类型，目前只有一种类型（ADVERTISEMENT），值为1
  • Virtual Rtr ID (VRID)：虚拟路由id的值（1-255），无默认值，主备机进行高可用对外提供的虚拟路由器的id（主备机虚一致)
  • Priority：虚拟路由器的优先级（8bit），更高的值表示更高的优先级
  • Count IP Addrs：vrrp通告报文中通告的ip数量
  • Authentication Type：认证类型
  • Advertisement Interval (Adver Int)：通告间隔，默认是1s
  • Checksum：校验和
  • Authentication Data：认证的数据

  • IP Address(es)：虚ip（1个或者多个）

    
    
    

    vrrp报文字段
    
    
    

    wireshark抓包vrrp报文

协议状态机

• 状态描述，如图：

  
  
  

  vrrp状态描述
  
  
  

  vrrp状态描述2

Keepalived介绍

什么是keepalived？

这个项目的主要目标是为Linux系统和基于Linux的基础设施提供简单、健壮的负载平衡和高可用性。负载平衡框架依赖于众所周知的和广泛使用的Linux虚拟服务器(IPVS)内核模块，它提供了Layer4负载均衡。Keepalived实现了一组动态的、自适应地维护和管理负载平衡服务器池的检查器。另一方面，高可用性是通过VRRP协议实现的。VRRP是路由器故障转移的基础。此外，Keepalived基于VRRP有限状态机，提供低级别和高速的协议交互。Keepalived框架可以单独使用或全部使用，以提供弹性的基础结构。

Keepalived软件架构，如图:

Keepalived软件架构

• Configure file parser：配置文件检测，主进程负责分析配置文件
• I/O Multiplexer ：io多路复用
• watchdog ： 监控两个进程健康状态，负责启动，重启两个子进程
• 两个子进程：真正工作的子进程
  • Checkers：自身的IPVS的后端服务器的健康状态
  • VRRP

Keepalived中vrrp模块工作原理

• vrrp状态

VRRP路由器在运行过程中有三种状态：

* Initialize状态： 系统启动后就进入Initialize，此状态下路由器不对VRRP报文做任何处理，可以理解为初始化
* Master状态： 路由器会发送VRRP通告，发送免费ARP报文。
* Backup状态： 接受VRRP通告。

一般主路由器处于Master状态，备份路由器处于Backup状态

• vrrp选举机制

  • VRRP组中IP拥有者。如果虚拟IP地址与VRRP组中的某台VRRP路由器IP地址相同，则此路由器为IP地址拥有者，这台路由器将被定位主路由器。
  • 比较优先级。如果没有IP地址拥有者，则比较路由器的优先级，优先级的范围是0~255，大的作为主路由器

  • 比较IP地址。在没有Ip地址拥有者和优先级相同的情况下，IP地址大的作为主路由器。
    如下图所示： 虚拟IP为10.1.1.254，在VRRP组中没有IP地址拥有者，则比较优先级，很明显RB和RA的优先级要大于RC，则比较RA和RB的IP地址，RB的IP地址大。所以RB为组中的主路由器。

    
    
    

    路由器组

• vrrp定时器

  • VRRP通告报文时间间隔定时器

    • VRRP备份组中的Master路由器会定时发送VRRP通告报文，通知备份组内的路由器自己工作正常
    • 用户可以通过设置VRRP定时器来调整Master路由器发送VRRP 通告报文的时间间隔
    • 如果Backup路由器在等待了3个间隔时间后，依然没有收到VRRP 通告报文，则认为自己是Master路由器，并对外发送VRRP通告报文，重新进行Master路由器的选举

  • VRRP抢占延迟时间定时器

    • 为了避免备份组内的成员频繁进行主备状态转换，让Backup路由器有足够的时间搜集必要的信息（如路由信息），Backup 路由器接收到优先级低于本地优先级的通告报文后，不会立即抢占成为Master
    • 而是等待一定时间——抢占延迟时间后，才会对外发送VRRP通告报文取代原来Master路由器

• VRRP工作过程总结

  • 路由器使能VRRP 功能后，会根据优先级确定自己在备份组中的角色。优先级高的路由器成为Master 路由器，优先级低的成为Backup 路由器。Master 路由器定期发送VRRP告报文，通知备份组内的其他设备自己工作正常；Backup 路由器则启动定时器等待通告报文的到来。

  • 抢占方式下，当Backup 路由器收到VRRP 通告报文后，会将自己的优先级与通告报文中的优先级进行比较。如果大于通告报文中的优先级，则成为Master 路由器；否则将保持Backup状态

  • 在非抢占方式下，只要Master 路由器没有出现故障，备份组中的路由器始终保持Master 或Backup 状态，Backup 路由器即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master 路由器

  • 如果Backup 路由器的定时器超时后仍未收到Master 路由器发送来的VRRP 通告报文，则认为Master 路由器已经无法正常工作，此时Backup 路由器会认为自己是Master 路由器，并对外发送VRRP 通告报文。备份组内的路由器根据优先级选举出Master 路由器，承担报文的转发功能

keepalived做单点故障的HA(实验)

实验环境介绍

• 两台Centos7.4作为路由器备份组，如图,master端和backup端的ens37、ens38接口都配置有ip（在keepalived-3.x版本中已经不支持接口没有ip的情况
  ）。master端管理口ip（ens33）：192.168.137.140，backup端管理口ip（ens33）：192.168.137.141

  
  
  

  实验环境
  
  
  

  实验环境master
  
  
  

  实验环境standby

• 配置、编译、安装到/root/keepalived_install

  
  
  

  安装

抢占模式下的HA

• master端配置如图：

  
  
  

  master

• backup端配置如图：

  
  
  

  backup

• master端和backup端分别启动keepalived：

  
  
  

  启动keepalived
  
  
  

  启动keepalived

• 查看master端和backup端的vip信息：

  
  
  

  master vrrp log
  
  
  

  standby vrrp log

• down掉master端的ens37接口，查看master端和backup端的vip信息，此时backup端变成了master状态，master端进入fault状态：

  
  
  

  down mater接口
  
  
  

  master状态
  
  
  

  standby状态

• up掉master端的ens37接口，查看master端和backup端的vip信息，此时backup端变成了backup状态，master端抢占为master状态：

  
  
  

  up mater接口
  
  
  

  master状态
  
  
  

  standby状态

非抢占模式下的HA

• master端的配置如图3-3-1：

  
  
  

  master配置

• backup端的配置如图：

  
  
  

  standby配置

• 分别运行keepalived后如图：

  
  
  

  master vrrp log
  
  
  

  standby vrrp log

• down掉master端的ens37接口，查看master端和backup端的vip信息，此时backup端变成了master状态，master端进入fault状态：

  
  
  

  down master接口
  
  
  

  master vrrp log
  
  
  

  standby vrrp log

• up掉master端的ens37接口，查看master端和backup端的vip信息，此时backup还是master状态，master端成为backup状态：

  
  
  

  up mater接口
  
  
  

  master vrrp log
  
  
  

  standby vrrp log

总结

keepalived这款开源程序能够自动实现将用户访问的ip转移的方法，故障重启，故障，恢复切换，故障报警。此外keepalived还能基于lvs实现服务级别的负载均衡，keepalived也可以结合HAproxy、nginx、httpd实现高可用解决方案。