【集群】LVS+Keepalived群集

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前言

  在这个高度信息化的 IT 时代，企业的生产系统、业务运营、销售和支持，以及日常管理等环节越来越依赖于计算机信息和服务，对高可用(HA)技术的应用需求不断提高，以便提供持续的、不间断的计算机系统或网络服务。

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一、Keepalived的概念

1. Keepalived 概述

  Keeplived是一款专为LVS和HA设计的健康检查工具。主要支持故障自动切换(Failover)和支持节点健康状态检查(Health Checking)。官方网站: http://www.keepalived.org/。

2. Keepalived 作用

  判断LVS负载调度器、节点服务器的可用性，当master主机出现故障及时切换到backup节点保证业务正常，当master故障主机恢复后将其重新加入群集并且业务重新切换回master节点。

3. Keepalived 实现原理剖析

3.1 Keepalived 工作原理

  Keepalived是一个基于VRRP热备份协议来实现服务高可用方案，可用解决静态路由吹西安的单点故障问题。

  在一个LVS服条集群中通常有主服条器（MASTER）和备份服务器（BACKUP）两种角色的服务器，但是对外表现为一个虚拟IP（VIP），主服务器会发送VRRP通告信息给备份服务器，当备份服务器收不到VRRP消息的时候，即主服务器异常的时候，备份服务器就会接管虚拟IP，继续提供服务，从而保证了高可用性。

3.1 VRRP协议（虚拟路由冗余协议）

  VRRP是一种容错协议，它通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备，并通过一定的机制来保证当主机的下一跳设备出现故障时，可以及时将业务切换到其它设备，从而保持通讯的连续性和可靠性。

  VRRP将局域网内的一组路由器划分在一起，称为一个备份组。备份组由一个Master路由器和多个Backup路由器组成，功能上相当于一台虚拟路由器。局域网内的主机只需要知道这个虚拟路由器的IP地址，并不需知道具体某台设备的IP地址，将网络内主机的缺省网关设置为该虚拟路由器的IP地址，主机就可以利用该虚拟网关与外部网络进行通信。

  VRRP将该虚拟路由器动态关联到承担传输业务的物理路由器上，当该物理路由器出现故障时，再次选择新路由器来接替业务传输工作，整个过程对用户完全透明，实现了内部网络和外部网络不间断通信。

4. Keepalived 主要模块及其作用

keepalived体系架构中主要有三个模块，分别是core、check和vrrp。

• core模块：为keepalived的核心，负责主进程的启动、维护及全局配置文件的加载和解析。
• vrrp模块：是来实现VRRP协议的。（调度器之间的健康检查和主备切换）
• check模块：负责健康检查，常见的方式有端口检查及URL检查。（节点服务器的健康检查）

4.1 健康检查方式（学名：探针）

  发送心跳信息。例如ping/pong命令等等。

  TCP端口检查。例如向一台主机的IP:PROT发送TCP三次握手连接。

  HTTP URL检查。例如向一台主机的http://IP+PROT/...URL路径发送HTTP GET{}请求方法，主机响应返回2xx或者3xx为正常，若响应返回4xx或者5xx则认为健康检查异常。

5. 脑裂的形成和解决（重要）

5.1 什么是脑裂

  脑裂（split-brain）：指在一个高可用（HA）系统中，当联系着的两个节点断开联系时，本来为一个整体的系统，分裂为两个独立节点，这时两个节点开始争抢共享资源，结果会导致系统混乱，数据损坏。

  对于无状态服务的HA，无所谓脑裂不脑裂；但对有状态服务（比如MySQL）的HA，必须要严格防止脑裂。

5.2 脑裂的形成

  Master一直发送心跳消息给backup主机，如果中间的链路突然断掉，backup主机将无法收到master主机发送过来的心跳消息（也就是vrrp报文），backup这时候会立即抢占master的工作，但其实这时候的master是正常工作的，此时就会出现脑裂的现象。

5.3 预防脑裂的发生

• 使用shell脚本对这两个主机之间的连通性进行监测，如果发现有问题，就会立即关闭keepalived服务来防止脑裂的产生。
• 增加一条链路作为备用链路，即使主链路挂掉了，备用链路也会顶上来，master主机可以继续给backup主机发送心跳消息。
• 使用监控软件的方法，这边主要是采用的zabbix来监控的，主要就是创建监控项，创建触发器来测试关闭keepalived服务。

###主调度器
###判断主从调度器之间链路是否断连
ping -c 3 -i 0.5 -w 2 192.168.145.30 &> /dev/null 

if [ $? -ne 0 ];then
  ssh 192.168.145.75 ping -c 3 -i 0.5 -w 2 -I 192.168.145.75 192.168.145.30  &> /dev/null 
  if [ $? -eq 0 ];then
      systemctl stop keepalived
  fi
fi

二、LVS+Keepalived 高可用集群部署

1. 环境部署

主DR 服务器：192.168.145.15
备DR 服务器：192.168.145.30
Web 服务器1：192.168.145.45
Web 服务器2：192.168.145.60
vip：192.168.145.20
客户端：192.168.145.75

2. LVS 部署

2.1 配置负载调度器（主、备相同）

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld.service
[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# yum -y install ipvsadm keepalived
###加载ip_vs模块
[root@localhost ~]# modprobe ip_vs
###查看ip_vs版本信息
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn

（1）配置keeplived（主、备DR 服务器上都要设置）

[root@localhost ~]#cd /etc/keepalived/
[root@localhost keepalived]# cp keepalived.conf keepalived.conf.bak
[root@localhost keepalived]# vim keepalived.conf
......
###定义全局参数
global_defs {						
###--10行--修改，邮件服务指向本地
	smtp_server 127.0.0.1
###--12行--修改，指定服务器（路由器）的名称，主备服务器名称须不同，主为LVS_01，备为LVS_02
	router_id LVS_01
###--14行到18行，注释掉，取消严格遵守VRRP协议功能，否则VIP无法被连接
	#vrrp_strict
}

###定义VRRP热备实例参数
vrrp_instance VI_1 {				
###--20行--修改，指定热备状态，主为MASTER，备为BACKUP
    state MASTER
###--21行--修改，指定承载vip地址的物理接口
    interface ens33
###--22行--修改，指定虚拟路由器的ID号，每个热备组保持一致	
    virtual_router_id 10
	#nopreempt						#如果设置非抢占模式，两个节点state必须为BACKUP，并加上配置 nopreempt
###--23行--修改，指定优先级，数值越大优先级越高，这里设置主为100，备为90
    priority 100
    advert_int 1					#通告间隔秒数(心跳频率)
    authentication {				#定义认证信息,每个热备组保持一致
		auth_type PASS				#认证类型
###--27行--修改，指定验证密码，主备服务器保持一致
        auth_pass abc123
    }
    virtual_ipaddress {				#指定群集vip地址
        192.168.145.20
    }
}
###--36行--修改，指定虚拟服务器地址(VIP)、端口，定义虚拟服务器和Web服务器池参数
virtual_server 192.168.145.20 80 {
    delay_loop 6					#健康检查的间隔时间(秒)
    lb_algo rr						#指定调度算法，轮询(rr)
###--39行--修改，指定群集工作模式，直接路由(DR)
    lb_kind DR
    persistence_timeout 0			#连接保持时间(秒)
    protocol TCP					#应用服务采用的是 TCP协议
###--43行--修改，指定第一个Web节点的地址、端口
    real_server 192.168.145.45 80 {
        weight 1					#节点的权重
###--45行--删除，添加以下健康检查方式		
        TCP_CHECK {
			connect_port 80			#添加检查的目标端口
			connect_timeout 3		#添加连接超时(秒)
			nb_get_retry 3			#添加重试次数
			delay_before_retry 3	#添加重试间隔
		}
	}

	real_server 192.168.145.60 80 {		#添加第二个 Web节点的地址、端口
        weight 1
        TCP_CHECK {
			connect_port 80
			connect_timeout 3
			nb_get_retry 3
			delay_before_retry 3
		}
	}
##删除后面多余的配置##
}

[root@localhost keepalived]# systemctl start keepalived
[root@localhost keepalived]# ip addr
1: lo:  mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens32:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:33:c5:93 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.145.15/24 brd 192.168.145.255 scope global noprefixroute ens32
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 192.168.145.20/32 scope global ens32
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::fd54:3fb4:558d:82fb/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: virbr0:  mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:e4:ec:73 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.122.1/24 brd 192.168.122.255 scope global virbr0
       valid_lft forever preferred_lft forever
4: virbr0-nic:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast master virbr0 state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:e4:ec:73 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

（2）启动 ipvsadm 服务

[root@localhost keepalived]# ipvsadm-save > /etc/sysconfig/ipvsadm
[root@localhost keepalived]# systemctl start ipvsadm
[root@localhost keepalived]# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  127.0.0.1:80 rr
TCP  192.168.145.20:80 rr
  -> 192.168.145.45:80            Route   1      0          0         
  -> 192.168.145.60:80            Route   1      0          0 

（3）调整 proc 响应参数，关闭Linux 内核的重定向参数响应

[root@localhost ~]# vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens33.send_redirects = 0
###刷新
[root@localhost ~]# sysctl -p
net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0
net.ipv4.conf.ens32.send_redirects = 0

2.2 配置节点服务器

（1）关闭防火墙，安装httpd服务

[root@localhost ~]#[root@localhost ~]#systemctl stop firewalld
[root@localhost ~]#setenforce 0

[root@localhost ~]# yum -y install httpd
[root@localhost ~]# systemctl start httpd

（2）设置访问网页

###--192.168.145.45---
[root@localhost ~]# echo 'this is accp web!' > /var/www/html/index.html

###--192.168.145.60---
[root@localhost ~]# echo 'this is benet web!' > /var/www/html/index.html

（3）网卡配置以及配置虚拟VIP地址

[root@localhost ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0
DEVICE=lo:0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.145.20
###注意：子网掩码必须全为 1
NETMASK=255.255.255.255

[root@localhost ~]#service network restart
###启动环回网卡
[root@localhost ~]#ifup lo:0
###启动环回网卡
[root@localhost ~]#ifconfig lo:0
lo:0: flags=73  mtu 65536
        inet 192.168.145.20  netmask 255.255.255.255
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
[root@localhost ~]#route add -host 192.168.145.20 dev lo:0
###调整内核的 ARP 响应参数以阻止更新 VIP 的 MAC 地址，避免发生冲突
[root@localhost ~]#vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
###刷新
[root@localhost ~]#sysctl -p
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2

2.3 测试验证

在客户端访问 http://192.168.145.20/ 
再在主服务器关闭 keepalived 服务后再测试
systemctl stop keepalived

三、常见问题

1. Keepalived 通过什么判断哪台主机为主服务器，通过什么方式配置浮动IP？

  Keepalived首先做初始化先检查state状态，master为主服务器，backup为备服务器。

  然后再对比所有服务器的priority，谁的优先级高谁是最终的主服务器。

  优先级高的服务器会通过ip命令为自己的电脑配置一个提前定义好的浮动IP地址。

2. keepalived 的抢占与非抢占模式

  抢占模式即MASTER从故障中恢复后，会将VIP从BACKUP节点中抢占过来。非抢占模式即MASTER恢复后不抢占BACKUP升级为MASTER后的VIP。

  非抢占式俩节点state必须为bakcup，且必须配置nopreempt。

[root@localhost ~]# vim /etc/keepalived/keepalived.conf
vrrp_instance VI_1 {
	state BACKUP
	nopreempt
	interface ens32
	virtual router_id 51
	priority 100
	advert_int 1
	authentication{
		auth_type PASS
		auth_pass 1111
	}
	virtual ipaddress {
	192.168.80.188
	}
}

  注意：这样配置后，我们要注意启动服务的顺序，优先启动的获取master权限，与优先级没有关系了。

四、Nginx+keepalived高可用集群部署

1. 环境部署

主调度器
192.168.145.15
从调度器
192.168.145.30
vip地址
192.168.145.20

2. Nginx 部署

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld.service
[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# yum -y install ipvsadm keepalived
###加载ip_vs模块
[root@localhost ~]# modprobe ip_vs
###查看ip_vs版本信息
[root@localhost ~]# cat /proc/net/ip_vs
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn

2.1 配置负载调度器（主、备相同）

[root@localhost ~]# vim keepalived.conf
......
global_defs {
	smtp_server 127.0.0.1
	router_id Nginx_01
	#vrrp_strict
}

vrrp_script chk_nginx {
    ###指定监控脚本的路径
    script "/etc/keepalived/nginx_check.sh"
    ###检测的间隔时间
    interval 2
    ###权重
    weight 2
}

###定义VRRP热备实例参数
vrrp_instance VI_1 {				
###--20行--修改，指定热备状态，主为MASTER，备为BACKUP
    state MASTER
###--21行--修改，指定承载vip地址的物理接口
    interface ens33
###--22行--修改，指定虚拟路由器的ID号，每个热备组保持一致	
    virtual_router_id 10
	#nopreempt						#如果设置非抢占模式，两个节点state必须为BACKUP，并加上配置 nopreempt
###--23行--修改，指定优先级，数值越大优先级越高，这里设置主为100，备为90
    advert_int 1					
    authentication {				
		auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.145.20
    }
     ###加载追踪模块
    track_script {                  
        chk_nginx
    }
}

###检测nginx是否启动的脚本
[root@localhost ~]# vim /etc/keepalived/nginx_check.sh
#!/bin/bash
if ! killall -0 nginx  &> /dev/null
then
    systemctl stop keepalived
fi

###给脚本添加执行权限
[root@localhost ~]# chmod +x nginx_check.sh

2.2 配置Nginx四层负载均衡

  参考负载均衡博客。

3. 测试验证

在客户端访问 http://192.168.145.20/ 
再在主服务器关闭 nginx 服务后再测试，看keepalived服务是否同时关闭，VIP是否转移，再次启动

五、总结

1. 一个合格的集群应该具有的特性

• 负载均衡：LVS、Nginx、Haproxy
• 给调度器/节点服务器健康检查：Keepalived、Heartbeat
• 故障转移

2. 脑裂相关问题

脑裂的形成和如何预防脑裂