高可用方案组件,Keepalived详解

简介: 高可用方案组件,Keepalived详解

    Keepalived是Linux下一个轻量级的高可用解决方案,它与HeartBeat、RoseHA实现的功能类似,都可以实现服务或者网络的高可用,但是又有差别,HeartBeat是一个专业的、功能

完善的高可用软件,它提供了HA软件所需的基本功能,比如心跳检测和资源接管,监测集群中的系统服务,在集群节点间转移共享IP地址的所有者等,HeartBeat功能强大,但是部署和使用相对比较麻烦;与HeartBeat相比,Keepalived主要是通过虚拟路由冗余来实现高可用功能

参考官网:Keepalived for Linux

Keepalived是什么:

Keepalived起初是为LVS设计的,专门用来监控集群系统中各个服务节点的状态。它根据TCP/IP参考模型的第三、第四和第五层交换机制检测每个服务节点的状态,如果某个服务节点出现异常,或工作出现故障,Keepalived将检测到,并将出现故障的服务节点从集群系统中剔除,而在故障节点恢复正常后,Keepalived又可以自动将此服务节点重新加入服务器集群中,这些工作全部自动完成,不需要人工干涉,需要人工完成的只是修复出现故障的服务节点。

Keepalived后来又加入了VRRP的功能,VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol,虚拟路由器冗余协议)出现的目的是解决静态路由出现的单点故障问题,通过VRRP可以实现网络不间断稳定的运行。因此,keepalived一方面具有服务器状态检测和故障隔离功能,另一方面也具有HA cluster功能。

工作原理

Keepalived通过VRRP(virtual router redundancy protocol)虚拟路由冗余协议来实现高可用。 在这个协议里会将多台功能相同的路由器组成一个小组,这个小组会有1个master角色和N(N≥1)个backup角色。

Keepalived有三个模块:core、check、vrrp。
其中:

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模块负责健康检查;

vrrp负责实现vrrp协议。

Keepalived的体系结构

Keepalived的体系结构从整体上分为两层,分别是用户空间层(User Space)和内核空间层(Kernel Space)。

内核空间层处于最底层,它包括IPVS和NETLINK两个模块。IPVS模块是Keepalived引入的一个第三方模块,通过IPVS可以实现基于IP的负载均衡集群。IPVS默认包含在LVS集群软件中。而对于LVS集群软件,相信做运维的读者并不陌生:在LVS集群中,IPVS安装在一台叫做Director Server的服务器上,同时在Director Server上虚拟出一个IP地址对外提供服务,而用户必须通过这个虚拟IP地址才能访问服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP,即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达Director Server,然后有Director Server从服务器集群节点中选取一个服务节点响应用户的请求。

Keepalived最初就是为LVS提供服务的,由于Keepalived可以实现对集群节点的状态检测,而IPVS可以实现负载均衡功能,因此,Keepalived借助于第三方模块IPVS就可以很方便地搭建一套负载均衡系统。在这里有个误区,由于Keepalived可以和IPVS一起很好地工作,因此很多学者都以为Keepalived就是一个负载均衡软件,这种理解是错误的。

在Keepalived中,IPVS模块是可配置的,如果需要负载均衡功能,可以在编译Keepalived时打开负载均衡功能,也可以通过配置编译参数关闭。

NETLINK模块主要用于实现一些高级路由框架和一些相关的网络功能,完成用户空间层Netlink Reflector 模块发来的各种网络请求。

用户空间层位于内核空间层之上,Keepalived的所有具体功能都在这里实现,下面介绍几个重要部分所实现的功能。

在用户空间层,Keepalived又分为4个部分,分别是Scheduler I/O Multiplexer、Memory Management、Control Plance和Core components。其中,Scheduler I/O Multiplexer是一个I/O复用分发调度器,他负责安排Keepalived所有内部的任务请求。Memory Management是一个内存管理机制,这个框架提供了访问内存的一些通用方法。Control Plane 是Keepalived的控制面板,可以实现对配置文件进行编译和解析,Keepalived的配置文件解析比较特殊,它并不是一次解析所有模块的配置。而是只有在用到某模块时才解析相应的配置。最后详细说一下Core components,这部分是Keepalived的核心组件,包含了一系列功能模块,主要有WatchDog、Checkers、VRRP Stack、IPVS wrapper 和Netlink Reflector,下面介绍每个模块所实现的功能如下:

1、WatchDog

WatchDog是计算机可靠性领域中一个极为简单又非常有效的检测工具,它的工作原理是针对被监视的目标设置一个计数器和一个阈值,WatchDog会自己增加此计数值,然后等待被监视的目标周期性地重置该计数值。一旦被监控目标发生错误,就无法重置此计数值,WatchDog就会检测到,于是采取对应的恢复措施,例如重启或关闭。

在linux中很早就引入了WatchDog功能,而Keepalived正是通过WatchDog的运行机制来监控Checkers和VRRP进程的。

2、 Checkers

这是Keepalived最基础的功能,也是最主要的功能,可实现对服务器运行状态检测和故障隔离。

3、 VRRP Stack

这是Keepalived后来引入的VRRP功能,可以实现HA集群中失败切换(Failover)功能。Keepalived通过VRRP功能再结合LVS负载均衡软件即可部署一个高性能的负载均衡集群系统。

4、 IPVS wrapper

这是IPVS功能的一个实现。IPVS wrapper模块可以将设置好的IPVS规则发送到内核空间并提交给IPVS模块,最终实现IPVS模块的负载均衡功能。

5、 Netlink Reflector

用来实现高可用集群中Failover时虚拟IP(VIP)的设置和切换。Netlink Reflector的所有请求最后都发送到内核空间层的NETLINK模块来完成。

配置文件说明

keepalived配置文件按层级和模块划分的,每层由"{ }"来界定。 在主配置文件中可以通过include来涵盖多个子配置文件。 语法说明:

BOOL: on|off|true|false|yes|no

TIMER: 以秒为单位的时间值,包括小数秒,如3,2.71828。计时器的分辨率是微妙。

关于脚本引用:

双引号"字符串中嵌入其他双引号或空格,那么字符串将仅在带引号的字符串之后结束(如:"abcd" efg h jkl "mnop" 等同于 "abcd efg h jkl mnop";)。

对于使用参数指定脚本,不带引号的空格将分隔参数。如果参数需要包含空格,则应将其括在单引号(')中

配置文件结构

配置文件包括以下几个模块:

1.GLOBAL  CONFIGURATION

  包含配置文件中的global_defs、static_ipaddress、static_route区域,负责定义邮件的相关配置、route_id、vrrp配置、多播地址、节点的ip和路由信息等

global_defs 全局配置
vrrpd
    1. vrrp_script添加一个周期性执行的脚本。脚本的退出状态码会被调用它的所有的VRRP Instance记录。
    2. vrrp_sync_group将所有相关的VRRP实例定义在一起,作为一个VRRP Group,如果组内的任意一个实例出现问题,都可以实现Failover
    3. garp_group
    4. vrrp_instance
LVS配置
virtual_server
    real_server
real_server中的健康检查
HTTP_GET or SSL_GET
TCP_CHECK
TCP_CHECK
DNS_CHECK
DNS_CHECK

image.gif

全局配置模块

! Configuration File for keepalived
global_defs {                                     #全局定义部分
    notification_email {                          #设置报警邮件地址,可设置多个
        acassen@firewall.loc                      #接收通知的邮件地址
        failover@firewall.loc
    }                        
    notification_email_from test0@163.com         #设置 发送邮件通知的地址
    smtp_server smtp.163.com                      #设置 smtp server 地址,可是ip或域名.可选端口号 (默认25)
    smtp_connect_timeout 30                       #设置 连接 smtp server的超时时间
    router_id LVS_DEVEL                           #主机标识,用于邮件通知
    vrrp_strict                                   #严格执行VRRP协议规范,此模式不支持节点单播
    script_user keepalived_script                 #指定运行脚本的用户名和组。默认使用用户的默认组。如未指定,默认为keepalived_script 用户,如无此用户,则使用root
    enable_script_security                        #如过路径为非root可写,不要配置脚本为root用户执行。
}

image.gif

2.BFD CONFIGURATION

  用于快速检测系统之间的通信故障,并在出现故障时通知上层应用。

  它具有两优点:

  对网络设备间任意类型的双向转发路径提供快速、轻负荷的故障检测

  用单一的机制对任何介质、任何协议层进行实时检测,并支持不同的检测时间与开销

3. VRRPD CONFIGURATION

包含配置文件中的vrrp_script、vrrp_instance、vrrp_sync_group、garp_group区域,负责定义每个vrrp虚拟路由器

vrrp_script配置

作用:添加一个周期性执行的脚本。脚本的退出状态码会被调用它的所有的VRRP Instance记录。
注意:至少有一个VRRP实例调用它并且优先级不能为0.优先级范围是1-254.
vrrp_script <SCRIPT_NAME> {
          ...
    }
选项说明:
script "/path/to/somewhere":指定要执行的脚本的路径。
interval <INTEGER>:指定脚本执行的间隔。单位是秒。默认为1s。
timeout <INTEGER>:指定在多少秒后,脚本被认为执行失败。
weight <-254 --- 254>:调整优先级。默认为2.
rise <INTEGER>:执行成功多少次才认为是成功。
fall <INTEGER>:执行失败多少次才认为失败。
user <USERNAME> [GROUPNAME]:运行脚本的用户和组。
init_fail:假设脚本初始状态是失败状态。
解释:
weight: 
1. 如果脚本执行成功(退出状态码为0),weight大于0,则priority增加。
2. 如果脚本执行失败(退出状态码为非0),weight小于0,则priority减少。
3. 其他情况下,priority不变

image.gif

vrrp_instance

命令说明:
state MASTER|BACKUP:指定该keepalived节点的初始状态。
interface eth0:vrrp实例绑定的接口,用于发送VRRP包。
use_vmac [<VMAC_INTERFACE>]:在指定的接口产生一个子接口,如vrrp.51,该接口的MAC地址为组播地址,通过该接口向外发送和接收VRRP包。
vmac_xmit_base:通过基本接口向外发送和接收VRRP数据包,而不是通过VMAC接口。
native_ipv6:强制VRRP实例使用IPV6.(当同时配置了IPV4和IPV6的时候)
dont_track_primary:忽略VRRP接口的错误,默认是没有配置的。
track_interface {
  eth0
  eth1 weight <-254-254>
  ...
}:如果track的接口有任何一个出现故障,都会进入FAULT状态。
track_script {
  <SCRIPT_NAME>
  <SCRIPT_NAME> weight <-254-254>
}:添加一个track脚本(vrrp_script配置的脚本。)
mcast_src_ip <IPADDR>:指定发送组播数据包的源IP地址。默认是绑定VRRP实例的接口的主IP地址。
unicast_src_ip <IPADDR>:指定发送单薄数据包的源IP地址。默认是绑定VRRP实例的接口的主IP地址。
version 2|3:指定该实例所使用的VRRP版本。
unicast_peer {
   <IPADDR>
   ...
}:采用单播的方式发送VRRP通告,指定单播邻居的IP地址。
virtual_router_id 51:指定VRRP实例ID,范围是0-255.
priority 100:指定优先级,优先级高的将成为MASTER。
advert_int 1:指定发送VRRP通告的间隔。单位是秒。
authentication {
  auth_type PASS|AH:指定认证方式。PASS简单密码认证(推荐),AH:IPSEC认证(不推荐)。
  auth_pass 1234:指定认证所使用的密码。最多8位。
}
virtual_ipaddress {
   <IPADDR>/<MASK> brd <IPADDR> dev <STRING> scope <SCOPE> label <LABEL>
   192.168.200.17/24 dev eth1
   192.168.200.18/24 dev eth2 label eth2:1
}:指定VIP地址。
nopreempt:设置为不抢占。默认是抢占的,当高优先级的机器恢复后,会抢占低优先级的机器成为MASTER,而不抢占,则允许低优先级的机器继续成为MASTER,即使高优先级的机器已经上线。如果要使用这个功能,则初始化状态必须为BACKUP。
preempt_delay:设置抢占延迟。单位是秒,范围是0---1000,默认是0.发现低优先级的MASTER后多少秒开始抢占。
通知脚本:
notify_master <STRING>|<QUOTED-STRING> [username [groupname]]
notify_backup <STRING>|<QUOTED-STRING> [username [groupname]]
notify_fault <STRING>|<QUOTED-STRING> [username [groupname]]
notify <STRING>|<QUOTED-STRING> [username [groupname]]
# 当停止VRRP时执行的脚本。
notify_stop <STRING>|<QUOTED-STRING> [username [groupname]]
smtp_alert

image.gif

vrrp_sync_group

作用:将所有相关的VRRP实例定义在一起,作为一个VRRP Group,如果组内的任意一个实例出现问题,都可以实现Failover。
 vrrp_sync_group VG_1 {
    group {
     inside_network     # vrrp instance name
     outside_network    # vrrp instance name
     ...
    }
    ...
}
说明:
如果username和groupname没有指定,则以默认的script_user所指定的用户和组。
1. notify_master /path/to_master.sh [username [groupname]]
    作用:当成为MASTER时,以指定的用户和组执行脚本。
2. notify_backup /path/to_backup.sh [username [groupname]]
    作用:当成为BACKUP时,以指定的用户和组执行脚本。
3. notify_fault "/path/fault.sh VG_1" [username [groupname]]
    作用:当该同步组Fault时,以指定的用户和组执行脚本。
4. notify /path/notify.sh [username [groupname]]
    作用:在任何状态都会以指定的用户和组执行脚本。
    说明:该脚本会在notify_*脚本后执行。
    notify可以使用3个参数,如下:
    $1:可以是GROUP或INTANCE,表明后面是组还是实例。
    $2:组名或实例名。
    $3:转换后的目标状态。有:MASTER、BACKUP、FAULT。
5. smtp_alert:当状态发生改变时,发送邮件。
6. global_tracking:所有的VRRP实例共享相同的tracking配置。
注意:脚本文件要加上x权限,同时指令最好写绝对路径。

image.gif

4.LVS CONFIGURATION

包含配置文件中的virtual_server_group、virtual_server区域,负责lvs集群配置

LVS模块结构:
virtual_server{
  … ...
  real_server{
    … ...
  }
}

image.gif

virtual_server

virtual_server IP Port | virtual_server fwmark int | virtual_server group string {
  delay_loop <INT>:健康检查的时间间隔。
  lb_argo rr|wrr|lc|wlc|lblc|sh|dh:LVS调度算法。
  lb_kind NAT|DR|TUN:LVS模式。
  persistence_timeout 360:持久化超时时间,单位是秒。默认是6分钟。
  persistence_granularity:持久化连接的颗粒度。
  protocol TCP|UDP|SCTP:4层协议。
  ha_suspend:如果virtual server的IP地址没有设置,则不进行后端服务器的健康检查。
  virtualhost <STRING>:为HTTP_GET和SSL_GET执行要检查的虚拟主机。如virtualhost www.felix.com
  sorry_server <IPADDR> <PORT>:添加一个备用服务器。当所有的RS都故障时。
  sorry_server_inhibit:将inhibit_on_failure指令应用于sorry_server指令。
  alpha:在keepalived启动时,假设所有的RS都是down,以及健康检查是失败的。有助于防止启动时的误报。默认是禁用的。
  omega:在keepalived终止时,会执行quorum_down指令所定义的脚本。
  quorum <INT>:默认值1. 所有的存活的服务器的总的最小权重。
  quorum_up <STRING>:当quorum增长到满足quorum所定义的值时,执行该脚本。
  quorum_down <STRING>:当quorum减少到不满足quorum所定义的值时,执行该脚本。
}

image.gif

real_server

real_server IP Port {
  weight <INT>:给服务器指定权重。默认是1.
  inhibit_on_failure:当服务器健康检查失败时,将其weight设置为0,而不是从Virtual Server中移除。
  notify_up <STRING>:当服务器健康检查成功时,执行的脚本。
  notify_down <STRING>:当服务器健康检查失败时,执行的脚本。
  uthreshold <INT>:到这台服务器的最大连接数。
  lthreshold <INT>:到这台服务器的最小连接数。
}

image.gif

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