Keepalived 入门详解：高可用集群部署最佳实践！

news2025/4/17 21:54:54

1. 什么是 Keepalived？

在分布式集群中，单点故障（SPOF） 是影响系统稳定性的重要问题。Keepalived 作为一款高可用服务软件，可以有效防止集群单点故障，保障系统的高可用性。

Keepalived 最初是为 LVS（Linux Virtual Server）设计，用于管理和监控 LVS 集群节点。后来加入 VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）功能，不仅具备负载均衡能力，还可用于高可用解决方案。在 VRRP 虚拟路由器中，多个物理路由器通过竞选确定 MASTER 角色，负责路由工作，其他为 BACKUP。MASTER 角色可动态切换，确保高可用性。

1.1 Keepalived 的作用

  • 高可用（HA） ：通过 VRRP（虚拟路由冗余协议） ，实现主备切换，保障 IP 高可用性。
  • 负载均衡（LB） ：最初为 LVS（Linux Virtual Server） 设计，可用于管理 LVS 集群。

1.2 Keepalived 与 VRRP 机制

在 VRRP 模式下，一个 VIP（虚拟 IP） 被多个物理服务器共享，但只有一台 Master 负责转发流量，其他的 Backup 处于待命状态：

  • Master 负责转发流量
  • Backup 监听 Master 状态
  • Master 故障时，Backup 自动接管 VIP，提供不中断的服务

VRRP 的通信采用 IP 多播（多播地址 224.0.0.18） ，客户端完全透明，不需要修改路由配置。

💡 你可能会问 VRRP 怎么实现的？
VRRP 通过竞选协议来实现虚拟路由的功能，所有的协议报文都是通过 IP 多播（Multicast）包（多播地址 224.0.0.18）形式发送的。虚拟路由是由 VRID（范围 0-255) 和一组 IP 地址组成，对外表现为一个周知的 MAC 地址：00-00-5E-00-01-【VRID】 （这就是为什么后面的配置 virtual_router_id 为什么只能是 0 - 255）。在一个虚拟路由中，不管谁是 MASTER，对外都是相同的 MAC 和 IP（虚拟VIP）。客户端主机并不需要因为 MASTER 的改变而修改自己的路由配置，即对客户端来说这种主备切换是无感知的。

2. Keepalived 如何工作？

2.1 Keepalived 高可用架构

Keepalived 是主备高可用功能正常运行的基础，它负责主机和备机的心跳检测和浮动 IP 切换等底层核心工作，如果检测到异常，会自动发生主备切换，浮动会漂移到备机，备机提升为主机继续提供服务（可支持一主多备架构）。其中数据库和 Redis 是通过主从复制机制进行数据同步保持主备数据的一致性，详情可见前面两篇文章。
在这里插入图片描述
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  • 主机（MASTER）与备机（BACKUP）

    • 主机 负责数据库和 Redis 的读写，并接管 Keepalived 管理的 VRRP 虚拟 IP（即可通过 VIP 访问主机）。
    • 备机 处于待命状态，仅可通过真实 IP 进行只读访问（例如数据同步、健康检查）。

  • VIP（虚拟 IP）

    • 业务访问 Redis 和数据库时，优先通过 VIP 连接，确保主机可用性。
    • Keepalived 监控主机健康状态，若主机故障，则 VIP 自动切换到备机，保证服务不中断。

  • 故障切换（Failover）

    • 当 Keepalived 发现主机故障时，VRRP 机制将 VIP 切换到备机，备机接管数据库和 Redis 的读写。
    • 原主机恢复后，可能需要重新竞选 MASTER，也可以设定优先级策略，避免频繁切换。

2.2 Master 与 Backup 的竞选机制

  • 初始化阶段

    • 多台 VRRP 路由器启动，并加入同一个 VRRP 组。
    • 每台路由器都有一个 优先级（Priority） 。

  • 竞选 MASTER

    • 所有路由器发送 VRRP 多播报文（224.0.0.18） 宣告自己的优先级。
    • 优先级最高的设备当选 MASTER，其余设备成为 BACKUP。
    • 如果优先级相同，则 IP 地址最高的设备 成为 MASTER。

  • 正常运行

    • MASTER 定期发送 VRRP 广播，告诉 BACKUP：“我还在正常工作”。
    • BACKUP 设备一直监听 MASTER 的 VRRP 报文，如果收到，则继续保持 BACKUP 状态。

  • MASTER 故障（主备切换）

    • 如果 BACKUP 在一定时间内收不到 MASTER 的 VRRP 报文（注意防火墙原因导致配置失败），就认为 MASTER 故障。
    • BACKUP 设备重新发起竞选，选出新的 MASTER，继续提供服务。

  • 原 MASTER 恢复（可选）

    • 如果原 MASTER 恢复上线，它可配置是否重新加入竞选或者按照备节点部署：

      • 如果它的优先级比当前 MASTER 高，它会重新当选 MASTER，并接管流量。
      • 如果优先级低，则继续作为 BACKUP 设备。

3. Keepalived 安装与部署

3.1 安装 Keepalived

Keepalived 可在大部分 Linux 发行版中直接安装：

yum install -y keepalived

3.2 部署环境准备

测试两台主机（一主一备）环境：

主机：192.168.121.23
备机：192.168.121.24
浮动IP：192.168.121.155

提前将防火墙 VRRP 协议对端放开：

# 防火墙设置(主备机都需要执行)
sed -i "/-A INPUT -j REJECT --reject-with icmp-host-prohibited/i -A INPUT -d 224.0.0.0/8 -i ens33 -p vrrp -j ACCEPT" /etc/sysconfig/iptables
sed -i "/-A INPUT -j REJECT --reject-with icmp-host-prohibited/i -A OUTPUT -d 224.0.0.0/8 -o ens33 -p vrrp -j ACCEPT" /etc/sysconfig/iptables
# 防火墙重启
service iptables restart

3.3 配置 Keepalived

Keepalived 采用模块化设计，不同模块实现不同功能，主要由 core、check 和 vrrp 三个模块组成：

  1. core（核心模块）：

    • 负责 Keepalived 主进程的启动和维护。
    • 解析并加载全局配置文件，管理整体运行逻辑。

  2. check（健康检查模块）：

    • 负责对后端服务（如 LVS、IPVS）进行健康检查。
    • 提供多种健康检查方式，并解析对应的健康检查配置。

  3. vrrp（VRRP 模块）：

    • 运行 VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由冗余协议）子进程。
    • 负责管理虚拟 IP（VIP）的选举和切换，实现高可用故障转移。
主机配置

主机 keepalived 配置文件 keepalived.conf 配置示例：

! Configuration File for keepalived

global_defs {
        notification_email {
                root@localhost.localdomain
        }
        notification_email_from ha@localhost.localdomain
        smtp_server 127.0.0.1
        smtp_connect_timeout 30
        router_id r_id
}

vrrp_script check_run {
   script /opt/keepalived/ha/ha_service_check.sh
   interval 3  # 检测时间间隔 单位s
   fall 3      # 连续失败次数达到 3 次后执行下面的操作
   #weight -60 #
}

vrrp_instance VI_1 {
        state BACKUP
        #nopreempt    # 配置是否抢占、和priority配合使用
        interface ens33    # 网卡
        track_interface {
                ens33
        }

        virtual_router_id 155    # 匹配号
        priority 150    # 优先级
        advert_int 2    # VRRP 通告频率 单位秒

        authentication {
                auth_type PASS
                auth_pass P@sSw0rd
        }

        track_script {
                check_run
        }

        notify_fault  /opt/keepalived/ha/ha_notify_fault.sh
        notify_master /opt/keepalived/ha/ha_notify_master.sh
        notify_backup /opt/keepalived/ha/ha_notify_backup.sh

        virtual_ipaddress {
                192.168.121.155/19 dev ens33 scope global
        }
}

📌 重点参数解析：

  • state MASTER：表示当前节点是主服务器（另一台应为 BACKUP）
  • priority 100：优先级（值越大，越容易成为 Master）
  • virtual_router_id：虚拟路由 ID，所有 VRRP 设备需一致
  • virtual_ipaddress：虚拟 IP（VIP），提供高可用
  • track_script：执行的检测脚本
  • nopreempt：如果存在，则表示不抢占，和优先级参数（priority）一起配合使用
  • advert_int：检查间隔，单位秒。

💡 关键点：

  • priority 可用于控制主备切换的优先级
  • virtual_router_id 必须一致，否则主备不会识别
备机配置

和主机基本保持一致，角色都是设置为 BACKUP，只是主机优先级设置为 150，备机优先级设置为 100。在这种情况下，当发生主备切换后，即使之前的主节点恢复运行，它也不会抢占备用节点成为新的主节点。原来的备用节点将继续作为主节点提供服务，直到发生故障或手动切换。这种行为确保了在主节点失效后，备用节点能够稳定地接管服务，并且在主节点恢复运行时不会引起不必要的主从切换，保持系统的稳定性。

! Configuration File for keepalived

global_defs {
        notification_email {
                root@localhost.localdomain
        }
        notification_email_from ha@localhost.localdomain
        smtp_server 127.0.0.1
        smtp_connect_timeout 30
        router_id r_id
}

vrrp_script check_run {
   script /opt/keepalived/ha/ha_service_check.sh
   interval 3 # 检测时间间隔 单位s
   fall 3      # 连续失败次数达到 3 次后执行下面的操作
   #weight -60
}

vrrp_instance VI_1 {
        state BACKUP
        #nopreempt    # 配置是否抢占
        interface ens33    # 网卡
        track_interface {
                ens33
        }

        virtual_router_id 155    # 匹配号
        priority 100    # 优先级
        advert_int 2    # VRRP 通告频率 单位秒

        authentication {
                auth_type PASS
                auth_pass P@sSw0rd
        }

        track_script {
                check_run
        }

        notify_fault  /opt/keepalived/ha/ha_notify_fault.sh
        notify_master /opt/keepalived/ha/ha_notify_master.sh
        notify_backup /opt/keepalived/ha/ha_notify_backup.sh

        virtual_ipaddress {
                192.168.121.155/19 dev ens33 scope global
        }
}

3.4 主备切换通知及检测机制

在主备配置完成后，或发生主备切换时，Keepalived 可触发通知，并执行相应的脚本，确保高可用性。

通知脚本触发机制

在以下两种情况下，Keepalived 会执行通知脚本：

  1. 主备状态发生切换（包括 Keepalived 启动时的角色确定）。
  2. 异常情况触发（如检测到 Redis/数据库服务故障、关键进程异常等）。

通知脚本可用于告警通知、日志记录、服务切换等操作。

3.5 主备状态检测脚本配置

Keepalived 通过 vrrp_script 定义健康检查规则，检测异常并触发相应的主备切换流程。

vrrp_script check_run {
   script /opt/keepalived/ha/ha_service_check.sh  # 健康检测脚本
   interval 3  # 检测间隔时间，单位：秒
   fall 3      # 连续失败 3 次后，触发主备切换
}

检测机制说明：

  • 检测间隔：每 3 秒执行一次检测。
  • 失败阈值：当检测到连续 3 次失败，触发 notify_fault 事件，执行 /opt/keepalived/ha/ha_notify_fault.sh，停止 keepalived，进入故障状态。

3.6 自定义触发主备切换

除因宕机、Keepalived 进程异常退出导致的主备切换外，还支持自定义触发条件。例如，可在检测到以下异常情况时触发切换：

  1. 关键 Java 进程异常，导致服务不可用。
  2. Redis 或 数据库宕机，影响数据读写。
  3. 磁盘剩余空间低于 10% ，可能导致系统无法正常运行。

健康检查脚本 /opt/keepalived/ha/ha_service_check.sh 示例：

#!/bin/bash
# 主备检测脚本
# 省略检测逻辑...
#if(数据库异常) exit 1
exit 0  # 0 代表检测通过，其他值代表失败

异常检测流程：

  1. 每 3 秒检测一次（interval 3）。
  2. 连续 3 次失败（fall 3），触发 notify_fault，执行 /opt/keepalived/ha/ha_notify_fault.sh。

3.7 故障处理（notify_fault）

当检测到故障（如 Redis/数据库 异常）并连续 3 次失败，Keepalived 触发 notify_fault 事件，执行 /opt/keepalived/ha/ha_notify_fault.sh 进行故障处理。

#!/bin/bash
# 故障通知脚本
echo "检测到异常...做切换" >> $HA_LOG_FILE
service stop keepalived
# 其他逻辑...

主机的 keepalived 停止则备机的 keepalived 会自动切换为新的主机，接管虚拟VIP。

3.8 主备切换流程

初始状态及切换逻辑

在该方案中，主机（Master）和备机（Backup）在初始化时，state 参数均设置为 BACKUP，这样：

  • 第一次启动时，主机会自动晋升为 Master，执行 /opt/keepalived/ha/ha_notify_master.sh。
  • 主机宕机后，备机检测到主机失联，自动晋升为 Master，执行 /opt/keepalived/ha/ha_notify_master.sh。

注意：角色切换不会修改 keepalived.conf 配置文件的 state 参数值，避免配置被错误覆盖。

3.9 主备切换相关脚本

主机晋升（notify_master）

当节点晋升为 Master 时，Keepalived 触发 notify_master，执行 /opt/keepalived/ha/ha_notify_master.sh，示例如下：

#!/bin/bash
# 主机晋升脚本
echo "当前节点晋升为主机（Master）"
# 省略具体逻辑...
exit 0
切换为备机（notify_backup）

当节点降级为 Backup 时，Keepalived 触发 notify_backup，执行 /opt/keepalived/ha/ha_notify_backup.sh，示例如下：

#!/bin/bash
# 备机降级脚本
echo "当前节点降级为备机（Backup）"
# 省略具体逻辑...
exit 0

4. 测试 Keepalived 主备切换

4.1 启动 Keepalived

service start keepalived

4.2 验证 VIP 绑定情况

ip addr

如果发现 vip 存在则表示配置成功。

4.3 模拟主机故障，观察 VIP 漂移

# 停止 Master（在主机上执行）
service stop keepalived

# 在 Backup 上检查 VIP 是否接管（在备机上执行）
ip addr

若 vip 已转移到 Backup 服务器，则主备切换成功！

5. Keepalived 进阶功能

5.1 结合 LVS 负载均衡

Keepalived 可用于管理 LVS（Linux Virtual Server） ，实现高可用负载均衡。

5.2 结合 Nginx 实现高可用

可结合 Keepalived + Nginx 方案，构建高可用的 Web 负载均衡架构。

6. 总结

✅ Keepalived 适用于哪些场景？

  • 服务器高可用（防止单点故障）
  • LVS 负载均衡管理
  • Nginx / HAProxy 高可用方案

✅ 使用 Keepalived 的核心步骤

  1. 安装 Keepalived
  2. 配置 VRRP（设置 VIP、优先级）
  3. 测试主备切换（模拟 Master 故障，观察 VIP 迁移）

📢 结语

如果你正在构建一个高可用架构，Keepalived 绝对是一个简单易用、高效可靠的解决方案！

📌 你用过 Keepalived 吗？在评论区分享你的使用经验吧！

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