keepalived

keepalived简介

Keepalived 是一款采用 C 语言开发的软件，主要用于解决负载均衡器在运行过程中可能出现的高可用性问题，具备负载均衡、健康状态检测以及高可用性等核心功能。其中，高可用性的实现依赖于 VRRP 协议。

最初，keepalived 的设计目的是用于 LVS（Linux Virtual Server）系统中，专门负责监控集群中的各个服务节点运行状况。一旦某个节点发生故障或出现异常情况，keepalived 能够自动识别并将其从集群中移除；当该节点恢复正常后，系统也会自动将其重新纳入集群之中。这些操作均无需人工干预。这种机制在功能上与 nginx 等反向代理工具所具备的探活机制相似，均可实现后端服务的高可用性。

随后，keepalived 引入了 VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）协议的支持。VRRP 的设计初衷是为了解决静态路由中存在的单点故障问题，并通过其机制确保网络能够持续稳定地运行。因此，keepalived 不仅具备对服务器状态进行检测和故障隔离的能力，还能够构建 HA cluster（高可用集群），从而实现各类中间件系统的高可用性。

keepalived和LVS关系

LVS 是 Linux Virtual Server 的简称，即 Linux 虚拟服务器，在 Linux 2.4 内核版本之后已完全集成其功能模块。它工作于 OSI 模型第四层（传输层），与 Haproxy 等工具有相似之处，主要用于实现对服务器集群的负载均衡处理。

两者都需要使用虚拟 IP 地址来完成相关操作。那么这两者之间究竟存在怎样的联系呢？

根据上述内容可知，在最初的设计中，keepalived 主要用于协助 LVS 对上游应用进行健康状态探测。随后引入了 VRRP 协议后，则实现了对静态路由（即 LVS）的高可用支持。

由此可以得出以下结论：
LVS 通过 ipvsadm 工具配置虚拟服务器以实现反向代理及负载均衡功能；而 keepalived 在此过程中则承担了服务健康检查的任务，并同时实现了 LVS 实例的冗余备份功能。

两者共享相同的虚拟 IP 地址，并且 keepalived 已经内置了 ipvsadm 的管理能力，可以根据配置文件的内容自动完成对 LVS 的相关配置操作。

因此 Keepalived 不仅具备管理 LVS 配置的功能，并且能够对 LVS 下游节点进行健康检查；同时还能实现系统网络服务层面的高可用性保障。

keeplived 实现高可用示意图

VRRP工作原理

在实际的网络运行环境中，主机之间的信息交互通常依赖于静态路由（默认网关）进行配置。然而，一旦连接这些主机的路由器发生故障，通信将无法正常进行。因此，在这种通信机制下，路由器被视作一个关键的单一故障点。为了解决这一问题，VRRP协议被引入；

VRRP协议是一种主备模式的协议，通过该协议可以在网络出现异常时实现设备切换，并且这一过程对主机间的数据传输不会产生任何影响。在此过程中涉及两个核心概念：物理路由器和虚拟路由器。

VRRP能够将两台或更多物理路由器整合为一个虚拟路由器。该虚拟路由器通过虚拟IP对外提供服务，在其内部则由多个物理路由器协同运作。在任意时刻，仅有一台物理路由器负责对外提供服务，这台物理设备 被称作主路由设备(处于MASTER角色)。

通常情况下，MASTER是通过选举算法确定的，并拥有用于对外服务的虚拟IP地址。它通过多种网络功能完成数据转发任务。而其余不具备虚拟IP地址的路由设备则不参与网络服务工作，仅负责接收来自MASTER发送的VRRP状态通告信息。这些设备统称为备份路由设备(处于BACKUP角色)。当主路由设备失效时，处于BACKUP状态的备份路由设备将重新进行选举流程，并产生新的主路由设备进入MASTER角色继续提供服务。整个切换过程对于用户而言是完全不可见的。

每个虚拟路由系统都有一个唯一的识别编号，称为VRID。VRID与一组IP地址共同构成一个完整的虚拟路由系统。在VRRP协议中，所有通信数据均以IP多播的方式进行传输，在同一个虚拟路由系统中只有处于MASTER角色的节点会持续发送VRRP数据包；而处于BACKUP角色的节点只接收来自MASTER的信息内容以监控其运行状况，并不会主动发起抢占行为，除非其优先级高于当前主节点。一旦检测到MASTER无法正常工作，则BACKUP节点将无法接收到相关报文信息并据此判断主节点已失效，在此情况下多个BACKUP节点将启动新的选举流程，并由优先级最高的BACKUP节点成为新的主节点继续承担服务任务；

keepalived体系结构及工作原理

keepalived运行于TCP/IP参考模型中的网络层、传输层以及应用层之中，具备对集群服务器运行状况实施监控并实现故障隔离的能力；其核心运作机制如下：

在网络层 ，涉及四个关键性协议：IP协议、ICMP协议、ARP协议和RARP协议 。keepalived在网络层最常用的工作方式是借助ICMP协议向集群中的每一个成员发送ICMP数据包（类似于Ping操作）。如果某个成员未能返回响应信号，则认为该成员出现了异常情况；此时keepalived将报告该成员失效并将其从集群中移除；
在传输层 ，提供了两个主要通信方式：传输控制协议TCP和用户数据报文协议UDP 。TCP可以确保可靠的数据传输过程，并且每条TCP连接都由特定IP地址及端口号标识出来；为了获取TCP的服务功能需要在发送端与接收端分别建立对应的端口连接关系；而在传输层层面keepalived正是利用了TCP端口连接与扫描技术来评估集群内各成员是否保持正常运行状态；
在**应用层上可支持多种高层通信标准如FTP、SMTP、DNS等不同类型的高级别应用协定, keepalived 的运作机制也变得更加多样化和复杂化, 用户可以根据自身需求自定义 keepalived 的具体执行方式. 例如, 用户可以通过编写程序的方式来启动 keepalived, 并让 keepalived 根据用户的预设条件检测各种应用程序或服务是否正常运作. 如果检测结果与预设条件不符, 则 keepalived 将自动将对应的服务从服务器中剔除;

keepalived的体系结构

keepalived的整体架构分为两个主要层级：即用户空间层级与内核空间层级。

内核空间层由IPVS和NETLINK两个组件构成：
IPVS模块是keepalived引入的一个外部组件，借助该模块可以实现基于IP的负载均衡集群。IPVS作为LVS集群软件的默认组成部分，keepalived最初正是为LVS提供支持而设计的。由于keepalived具备对集群节点状态进行检测的能力，而IPVS则能够实现负载均衡功能，因此通过集成第三方模块IPVS，keepalived可以较为便捷地构建一套负载均衡集群。但这并不意味着keepalived本身就是一个负载均衡软件。

NETLINK模块主要负责处理一些高级路由架构及相关网络功能，用于完成用户空间层Netlink Reflector模块所发出的各种网络请求。

在用户空间层中，keepalived被划分为四个部分：
Scheduler I/O Multiplexer： 一个I/O复用调度器，其职责是分配并管理keepalived内部的所有任务请求；
Memory Management： 一种内存管理机制，该框架提供了一系列通用的内存访问方式；
Control Plane：作为keepalived的控制面板，用于对配置进行编译与解析（需要注意的是，keepalived配置文件并非一次性解析所有模块配置内容，而是仅在需要使用某个模块时才解析对应的配置项）；
Core components： keepalived的核心组件集合，其中包含多个功能模块，主要包括WatchDog、Checkers、VRRP stack、IPVS wrapper以及Netlink Reflector；

部分核心模块的功能说明如下：
WatchDog： 为被监控对象设定计数器及阈值，并由WatchDog自身递增该计数值后等待被监控对象周期性地重置。一旦被监控对象出现异常，则无法重置计数器，并触发相应的恢复操作如重启或关闭等。正是通过这一机制，keepalived实现了对Checkers和VRRP进程的监控作用；
Checkers： 作为keepalived最基本且最重要的功能之一，可实现对服务器运行状态的检测及故障隔离操作；
VRRPStack： 能够支持HA（高可用）集群中的故障转移（Failover）功能。通过结合VRRP功能与LVS负载均衡软件，即可部署出高性能的负载均衡集群环境；
IPVS wrapper： 实现了对IPVS功能的支持。该模块能够将已配置好的IPVS规则传递至内核空间并交由IPVS处理以最终完成负载均衡任务；
Netlink Reflector： 主要用于在高可用集群中实现虚拟IP地址的设置与切换操作。所有相关请求最终都会发送至内核空间中的NETLINK模块进行处理。

关于MASTER和BACKUP角色的选择策略
当未使用vrrp_script时，在keepalived集群中并不存在严格意义上的主备节点概念。尽管可以在配置文件中设定MASTER状态，并不表示此节点始终处于主节点状态。节点的角色主要取决于配置文件中的priority值，并非唯一决定因素。另一个影响角色的因素是vrrp_script中定义的weight值。具体而言，在整个集群环境中每个节点的角色将根据priority与weight两者的数值大小来确定；若未在vrrp_script中设置weight值，则优先级的选择完全依赖于配置文件中的priority参数。

使用vrrp_script模块
当weight值为正数时，在vrrp_script指定脚本检测成功的情况下，则主节点权重等于weight值加上priority值；如果检测失败，则权重仍保持为priority值不变。
因此，

切换策略：
当主节点vrrp_script脚本检测失败时，并且此时主节点priority值小于备份节点weight与priority之和，则会触发主备切换；
当主节点vrrp_script脚本检测成功时，并且此时主节点weight与priority之和大于备份节点相应数值之和，则保持当前主从关系不变；
当weight值为负数时，
若在vrrp_script中指定脚本检测成功，则主节点权重仍维持为priority值不变；
如果检测失败，则权重变为priority减去绝对值上的weight差额。
因此，
当主节点vrrp_script脚本检测失败时并且此时其priority减去绝对值得到的结果小于备份端点优先级的话就会发生角色转换；
而如果此时master端点优先级高于backup端点优先级的话则不会发生任何变化