备胎是这样转正的---浅谈keepalived工作原理

问题初现

「滴~~~」，小章的钉钉突然响起了很多客服转发来的用户投诉信息，说是网络连接不上了，经过排查发现是其中一台机器（RS2）挂了

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但是 LVS 依然持续地把流量打到这台机器上，持续造成线上问题，小章首先把这台机器从 LVS 上摘除，先保证线上正常，然后为了避免之后出现类似问题，急忙找了 CEO 老梁来商讨方案。

应用层健康检查：HTTP 检测

老梁一眼看出了问题所在:「我们需要开发一个健康检查服务，部署在 LVS 上，这个服务可以定时检查其后的 RS 是否可用，如果不可用则将 RS 摘除，这样就可以保障线上服务正常了」

「妙啊，通过软件及时探测，摘除不可用的机器，避免了人工发现不及时的问题，那么该怎么做这个健康检查呢，需要满足什么条件呢」听说要开发这样的软件，小章顿时来了兴致。

「小章啊，仔细想想看，我们的服务在发布过程中其实也是有健康检查的，要保证一个工程可用，至少保证它是可访问的以及它用到的中间件，DAO 是正常的，所以它的健康代码如下

@Service(protocol = {"rest"})
public class HealthCheckServiceImpl implements HealthCheckService {

    @Resource
    private TestDAO TestDAO;

    @Resource
    private RebateClient rebateClient;

    @Override
    public String getHealthStatus() {
            List<TestDO> testDOS =
                    TestDAO.getResult(123);
            Assert.isTrue(testDOS != null, "rebateMemberDOS null");

            // 此处省略 redis 检测

            // 此处省略其它检测

            return "health";
    }}

如以上代码所示，我们在工程里写了健康检查 HealthCheckService 类，暴露了一个 rest 服务，这样的话在部署的时候在服务部署脚本里首先访问一下此服务的 getHealthStatus 方法，如果返回的值为「health」，则说明此服务的 dubbo 服务，DAO，redis 等正常，说明此服务是没有问题的，如果返回的值不为 health，则说明此服务有问题，不能上线，这就是我们所说的健康检查，通过访问服务暴露的方法，来检测此服务是否可用。

所以我们要开发的检测服务也与此类似，只要定时访问此服务暴露的接口，看下此接口返回的值与我们期待的值是否一致即可，一致说明此服务正常，否则，说明此服务异常，将其剔除，当然了一次连接不通就判断为不可用可能有些问题，我们可以提供一个重试次数，比如 3 次，如果 3 次健康检测都失败，则认定此服务不可用!配置的伪代码如下:

real_server 192.168.1.220 80 {
    HTTP_GET {
        url {
            path /healthCheck
            status_code 200
        }
        connect_timeout 3
        nb_get_retry 3 // 置超时重试次数

    }
}

「妙啊，此法甚好！只要访问健康检查服务就可以很方便地查看此服务是否正常了，但是有个问题：如果这个健康检测方法写的检测逻辑很多，而 LVS 定时发检测请求比较频繁的话可能会有一定的性能问题，是否有更轻量级的检测方法呢」小章说道

「考虑得很周到！一般健康检测确实逻辑比较重，所以只在部署的的时候检测一次就够了，在生产上我们可以采用更轻量的检测方式：TCP连接检测」

TCP连接检测

TCP 连接检测原理很简单，我们知道要建立一个 TCP 连接，首先必须由 TCP 客户端发起 connect 请求，三次握手成功后才算建立起一个 TCP 链接，然后才能正常收发数据

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所以我们只要调用 connect 方法看它是否成功即可，成功即说明连接建立成功，说明服务是可用的，如果失败说明此服务有问题，直接摘除即可，当然了与 HTTP 检测一样，也要有超时机制，伪代码如下

tcp连接检测
TCP_CHECK {
    connect_port 80 // 指定端口
    connect_timeout 6 // 设置响应超时时间
    nb_get_retry 3 // 设置超时重试次数
    delay_before_retry 3 // 设置超时重试间隔时间
}

小章按着老梁的思路把这两种健康检测思路给实现了，并且给这个服务取了个霸气的名字：keepalived，老梁很满意，不过他又发现了新的问题。。。

单点故障---高可用解决之道

「小章，健康检查做得很好，而且提供了两种检查方式，很全面，不过你这个架构还有个很致命的问题，不知你有没发现，那就是目前只有一台 LVS 在工作，如果这台 LVS 挂了，那我们业务就跌零了， 你还需要让 keepalived 支持 LVS 的高可用」

小章恍然大悟，「那该咋办呢」

「高可用的通用解决方案很简单，冗余+故障自动发现转移，我们可以按照这个思路来设计 LVS 高可用，具体方案如下:

我们可以为 LVS 准备几台备机，如果发现 LVS 挂了，就让备机顶上去，这样不就实现了高可用了吗」不愧是 CTO，一语中的

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小章看了一眼架构图，提出了三个问题

1. 如果主机（以下简称 master）宕机，备机（以下简称 backup）顶上，那 IP 地址不是变了吗，此时客户端该怎么连接
2. 几台机器首次启动时，谁为 master，谁为 backup
3. master 宕机后，backup 是如何感知到的，多台 backup 又是如何竞选出主机的，这个和问题 2 有点类似

「这几个问题提的很好，正是实现高可用的关键，可以看出小伙子还是有经过深入思考的」老梁高兴地说，「这些问题不难化解，我们一一来看看」

问题一：backup 成为 master 后，IP 地址变了怎么办？

答：IP 地址不能变，对外必须表现为一个 IP，我们通常称为「虚拟(virtual) IP」,通常简称为 VIP

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如果 master（即图中的 L1）工作，则此 VIP 在 master 上可用，若 master 宕机，如果 backup（比如 L2）竞选 master 成功，则 VIP 在 L2 上生效，同时新的 master 需要发送一个携带有本机的 MAC 地址和 VIP 地址信息的 ARP 报文，你会发现 VIP 从老的 master 转移到竞选 master 成功的 backup 上了，我们把这种现象称为 IP 漂移，这里有两个问题需要澄清

1. 一个主机如何才能有两个 IP
2. 为什么 VIP 在某台竞选 master 成功的 backup 上生效后要发一个携带有本机的 MAC 地址和 VIP 地址信息的 ARP 报文

先看第一个问题，主机如何才能拥有两个 IP ，毕竟一台机器成为主机后，除了本身机器被分配的 IP（115.205.4.210）,VIP 也漂移到它身上了，此时它拥有两个 IP

我们知道计算机要上网，首先要把网线插入网卡，一个网卡其实就对应着一个 IP，所以一台主机配两个网卡就可以绑定两个 IP，一般 LVS 都会配置双网卡，一来每个网卡带宽都是有限的，双网卡相当于提升了一倍的带宽，二来两个网卡也起到了热备的作用，如果一个网卡坏了，另外一个可以顶上。

但有人说了，我就只有一个网卡，也想配置多个 IP，是否可以？

答案是可以的，网卡一般分两种，一种是物理网卡，一种是虚拟网卡

1. 物理网卡：可以插网线的网卡，如果有多个网卡，我们一般将其命名为 eth0，eth1。。。，如果一个网卡对应多个 IP，以 eth0 为例，一般将其命名为 eth0，eth0:0，eth0:1。。。eth0:x，比如一台机器只有一个网卡，但其对应两个 IP 192.168.1.2, 192.168.1.3，那么其绑定的网卡名称分别为 eth0,eth0:0
2. 虚拟网卡：虚拟网卡通常被称为 loopback，一般命名为 lo，是一个特殊的网络接口，主要用于本机中各个应用之间的网络交互（哪怕网线拔了，本机各个应用之间通过 lo 也是能通信的），需要注意的是虚拟网卡和物理网卡一样，也可以绑定任意 IP 地址，如果在虚拟网卡配置了任何的 IP 地址，只要有物理网卡，就能到收到并处理目的 IP 为虚拟网卡上 IP 的数据包，lo 默认绑定了 127.0.0.1 这个本地 IP ，如果要绑定其他的 IP，对应的网卡命名一般为 lo:0，lo:1。。。

所以假设一台机器只有一个网卡，一般内网给它默认分配的 IP 绑定在 eth0 上，那么我们就可以把虚拟 IP 绑定在 eth0:0 上，这样的话外界就能正常访问此虚拟 IP 了，如果 master 挂掉了，keepalived 会让此 master 的 eth0:0 端口失效，同时让新 master 的 eth0:0 绑定虚拟 IP，这样就避免了对外暴露两个虚拟 IP。

再来看第二位问题，虚拟 IP 在某台机器生效后，为啥要发一个 ARP 请求呢，这个问题其实在之前的文章中提到过，这里为了照顾其他没看过之前文章的读者，再简单提一下，其实上面的架构图我们作了一定程度的简化，更详细的应该如下图所示

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如图示，三台 LVS 机器组成一个同一网段的以太网我们知道，以太网是以 mac 地址来寻址的，我们知道现在对外暴露的是虚拟 IP，那么当带有虚拟 IP 的包到达路由器时，它该怎么找到对应的机器呢？

一开始它啥也不知道，所以它在网址发了一个 ARP 广播包，相当于大吼一声：IP 地址为 115.205.4.213 的机器是谁啊，由于这个虚拟 IP 在 L1 上，所以只有 L1 响应了，L1 会把带有自己 mac 地址的响应包发回给路由器，路由器收到后会把 IP 地址与 L1 mac 地址的关系记在本地，然后在包的头部装上 L1 的 mac 地址发给交换机，交换机就能识别到应该发给 L1，下次当客户端再次发数据包到路由器时，路由器会首先在本地缓存（ARP 缓存）中查到 IP 对应的 mac（即 L1 的mac），命中后将包上的 mac 地址替换成 L1 的 mac 转发出去，至此相信你应该明白为啥虚拟 IP 生效后要发 ARP 报文了，就是为了更新由器上的 ARP 缓存，将虚拟 IP 对应的 mac 地址更新为竞选 master 成功的 backup 上的 mac，这样下次路由器就能正确将新 master 的 mac 附在数据包上，就能正确地转发到机器上了，否则，数据包会转发到老的 master 上，引起灾难性的后果！

问题二：几台机器首次启动后，谁为 master，谁为 backup

这个问题其实很简单，谁的能力强，谁就优先成为 master，我们可以给各个机器设置不同的值为 0~255 的权重，权重越大，代表此机器越有可能成为 master（如果权重一样，则比较它们的 IP，IP 大的权重高），这里分几种情况

1. 每个机器启动后都处于 Initialize 状态，若某台机器接口（eth0）Up 之后，如果其权重为 255 且此时还没有 master 则其成为 master 并且让虚拟 IP 绑定在 eth0:0 端口上，如果此时已有 master 呢，分两种模式：抢占和非抢占模式，如果处于非抢占模式下，则它转为 backup 状态，否则它会重新竞争成为 master，此时一般能竞争成功，因为它处于最高权重（一般只有一台机器处于最高权限）
2. 如果某台机器权重不为 255，则经过一段时间后如果此时还没有 master ，那么它会竞争 master，如果此时有了 master，也和情况 1 一样，分抢占和非抢占模式，为啥要经过一段时间才竞争 master 呢，其实主要是为了优先让权重为 255 的机器成为 master

整体流程如下

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问题三: master 宕机后，backup 是如何感知到的，多台 backup 又是如何竞选出主机的

当机器成为 master 后，它会定时发送广播给其他的 backup，让其他 backup 知道它还存活着，如果在指定时间内（一般我们称此时间为 Master_Down_Interval）backup 没有收到 master 的广播包，那么 backup 互相之间会发广播包通过比较权重竞争 master，某台 backup 竞选 master 成功后同样会让虚拟 IP 绑定在 eth0:0 端口上，并且发送 ARP 包让路由器等更新自己的 ARP 缓存，其他竞选失败的则转为 backup 状态

至此相信大家已经明白了 keepalived 的工作机制，所有上面说的这些工作只要配置一下 keepalived 的配置文件并启动后即可实现。

另外 keepalived 实现的高可用机制不光可以用在 LVS 上，也可以用在 MySQL 等高可用上，所以你内部工程连 MySQL 的地址一般是虚拟 IP。现在我相信你能看懂如下 LVS 的高可用工作图了

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注：不管是 master 还是 backup 都能对背后的 RS 作健康检查哦

总结

相信大家看完本文对 keepalived 的工作原理应该是了然于胸了，它的主要工作模式无非就两块：「健康检查」和「高可用」，健康检查我们只介绍了常见的两种，其实它还支持通过运行脚本来作健康检测，只是不太常用而已，另外 keepalived 的高可用可以说是大放异彩，除了用在 LVS 的高可用，还用在 Nginx ，MySQL 的高可用上，原理其实无非就是利用心跳检测+竞争 master + IP 漂移来实现，完整的 keepalived.conf 配置文件大家有兴趣可以看文末的参考链接，相信经过上面的原理讲解再去看此文件不是问题

另外不知大家是否注意到了，master 虽然可以定时向 backup 发送心跳，但如果此心跳链路坏了 backup 就会误认为 master 已经不可用了，从而去申请成为 master，这样就会造成两个 master 的出现，也就是我们常说的脑裂，怎么解决？可以同时用两条心跳线路，这样一条心跳检测线路坏了，另一条还是好的，依然能传送心跳消息。当然除了心跳链路坏了还有可能会有其他情况也会导致脑裂的发生，我们还是要做好多种预案，必要时人工及时介入，（关于脑裂的更多信息可以看文末的参考链接）

巨人的肩膀

• keepalived.conf 配置文件详解: https://www.huaweicloud.com/articles/c37ca72e2dde50e91324471ea761d41b.html
• 脑裂问题及解决：https://www.cnblogs.com/struggle-1216/p/12897981.html

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