Keepalived 高可用全解析：重点总结与实验指南

一、HA 集群能解决哪些问题？

将服务放入 HA 集群前，需先判断该服务本身是否具备故障转移或负载均衡能力：

  • 不适合放入 HA 集群的服务：如 DNS、LDAP 自身支持多 Master 或主从复制，客户端也能配置多个服务器地址，本身已解决单点故障。再加入 HA 集群收益不大。
  • 适合放入 HA 集群的服务：如 RabbitMQ、Galera（MySQL 集群）等，本身缺乏自动故障转移机制，通过 Keepalived 可显著提升可用性。

⚠️ HA 集群的局限性：无法解决应用程序自身 Bug 导致的崩溃（所有节点都有相同 Bug 照样崩溃），也无法处理集群外部的网络故障（如交换机断电、网线断开等）。

二、Keepalived 介绍

  • 定位：用 C 语言编写的路由软件，为 Linux 提供负载均衡和高可用能力。
  • 核心功能：
    • 最初为 LVS（Linux Virtual Server）设计，可检测后端服务器状态，自动剔除故障节点。
    • 后续加入 VRRP（虚拟路由冗余协议），实现主备切换和虚拟 IP（VIP）漂移，解决静态路由的单点故障问题。

三、VRRP 原理简述

  • 解决的问题：单网关（默认路由）故障时，所有依赖该网关的设备会断网。
  • 实现方式：将两台（或多台）物理路由器虚拟为一台虚拟路由器，对外提供同一个 VIP（虚拟 IP）。
  • 关键术语：
    • VRRP 路由器：运行 VRRP 协议的设备（如 R1、R2）。
    • VRID：虚拟路由器标识符，同一 VRRP 组的设备必须使用相同 VRID。
    • Master：主路由器，实际处理流量并响应 VIP。
    • Backup：备份路由器，监听 Master 心跳，当 Master 故障时接管 VIP。
  • 工作流程：Master 定期发送 VRRP 通告（组播），Backup 收到通告则保持备用；若超时未收到，Backup 会抢占成为新 Master。

四、脑裂（Split-Brain）详解

4.1 什么是脑裂？

在主备集群中，主、备节点因通信中断，都认为对方已故障，于是同时抢占资源（如 VIP），导致集群混乱。

4.2 产生原因

类别 说明
网络问题 心跳线路故障、交换机端口坏掉、网线松动
防火墙 屏蔽了 VRRP 协议端口（UDP 112）
资源耗尽 CPU / 内存满载，无法及时处理或发出心跳包
配置错误 state、priority、authentication 等参数不一致

4.3 危害

  • 多个节点同时持有 VIP → 客户端请求分走不同后端，部分成功部分失败。
  • 若后台是数据库 → 双写冲突，数据不一致甚至损坏。
  • 集群失效，失去高可用意义。

4.4 如何避免脑裂？

  1. 多心跳线路：除主网卡外再增加独立网卡或交叉网线，配置 track_interface 监控多个接口。
  2. 启用 VRRP 认证：使用 auth_type PASS + auth_pass，防止非法节点干扰。
  3. 防火墙放行 VRRP：开放 UDP 112 端口。
  4. 部署第三方隔离工具：通过 notify_master 脚本检测脑裂并强制关闭对方节点（如 fence_virsh、reboot）。
  5. 降低脑裂影响：业务层采用分布式锁、读写分离、避免双写。
  6. 监控告警：监控 keepalived 状态，发现双 Master 时立即告警。

💡 本质解决思路：多重检测 + 自动隔离。

五、实验：基于 Keepalived + Nginx 搭建高可用 Web 集群

5.1 实验拓扑与规划

主机名 IP 地址 角色
client1.laogao.cloud 10.1.8.21 客户端
web1.laogao.cloud 10.1.8.11 Web 主节点
web2.laogao.cloud 10.1.8.12 Web 备节点
VIP 10.1.8.100 对外虚拟 IP

实验环境 CentOS 7 / RHEL 系，网卡名称 ens33。

5.2 第一步：部署 Nginx（web1 和 web2）

在两台 Web 节点上安装 Nginx，并创建不同首页内容用于区分。

# 在 web1 和 web2 上执行

# 1. 安装 nginx
yum install -y nginx

# 2. 编写测试页面：显示各自主机名
#    注意：$(hostname) 会被 shell 替换为实际主机名
echo "welcome to $(hostname)" > /usr/share/nginx/html/index.html

# 3. 启动 nginx 并设置开机自启
systemctl enable nginx.service --now

# 4. 验证后端 nginx 是否正常（在客户端节点测试）
# curl 10.1.8.11   -> 显示 welcome to web1.laogao.cloud
# curl 10.1.8.12   -> 显示 welcome to web2.laogao.cloud

5.3 第二步：配置 Keepalived（web2 备节点）

# 在 web2 (10.1.8.12) 上执行

# 1. 安装 keepalived
yum install -y keepalived

# 2. 备份原始配置
cp /etc/keepalived/keepalived.conf{,.ori}

# 3. 编辑配置文件
vim /etc/keepalived/keepalived.conf

web2 配置文件内容（备节点）：

! Configuration File for keepalived

global_defs {
    router_id web2          # 本路由器标识，集群内唯一
}

vrrp_instance nginx {       # 定义一个 VRRP 实例，名称为 nginx
    state BACKUP            # 角色：备节点。不抢占 VIP
    interface ens33         # VIP 绑定的物理网卡
    virtual_router_id 51    # 虚拟路由器 ID，主备必须一致，范围 1-255
    priority 100            # 优先级，值越低越“备份”，Master 通常更高
    advert_int 1            # 心跳发送间隔（秒）

    authentication {        # 认证配置，防止非法设备加入 VRRP 组
        auth_type PASS      # 简单密码认证
        auth_pass laogao@123 # 密码（最多 8 位，超过只取前 8）
                              # 注意：线上请避免弱密码
    }

    virtual_ipaddress {     # 虚拟 IP（VIP）
        10.1.8.100/24       # 网段/掩码，要和接口在同一网段
    }
}

# 4. 启动 keepalived 并加入开机自启
systemctl enable keepalived.service --now

# 5. 查看 IP 地址，应能看到 VIP (10.1.8.100) 已绑定
ip -br a show ens33
# 输出示例：
# ens33 UP 10.1.8.12/24 10.1.8.100/24 fe80::20c:29ff:fe83:619c/64

5.4 第三步：配置 Keepalived（web1 主节点）

# 在 web1 (10.1.8.11) 上执行

yum install -y keepalived
cp /etc/keepalived/keepalived.conf{,.ori}
vim /etc/keepalived/keepalived.conf

web1 配置文件内容（主节点）：

! Configuration File for keepalived

global_defs {
    router_id web1          # 主节点标识名，不能和 web2 重复
}

vrrp_instance nginx {
    state MASTER            # 角色：主节点，主动持有 VIP
    interface ens33
    virtual_router_id 51    # 必须与 web2 一致
    priority 110            # 优先级高于 web2（110 > 100），确保成为 Master
    advert_int 1

    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass laogao@123 # 认证密码与备节点完全相同
    }

    virtual_ipaddress {
        10.1.8.100/24
    }
}

# 启动服务
systemctl enable keepalived.service --now

# 查看 web1 的 IP —— VIP 应出现在 web1 上
ip -br a show ens33
# ens33 UP 10.1.8.11/24 10.1.8.100/24 ...

# 查看 web2 的 IP —— 备节点此时无 VIP
ip -br a show ens33
# ens33 UP 10.1.8.12/24 ...

5.5 第四步：高可用切换验证

场景1：正常访问
# 在客户端 client1 上执行
curl 10.1.8.100
# 输出应显示：welcome to web1.laogao.cloud
# 说明当前 VIP 指向 web1
场景2：模拟主节点故障（停止 web1 上的 keepalived）
# 在 web1 上执行
systemctl stop keepalived.service

# 此时 web1 不再发送 VRRP 心跳，web2 经过约 3 个通告周期（默认 3*1秒）后，会自动接管 VIP

# 在 web2 上查看 IP，会发现 VIP 出现
ip -br a show ens33
# ens33 UP 10.1.8.12/24 10.1.8.100/24 ...

# 在客户端再次访问
curl 10.1.8.100
# 输出变为：welcome to web2.laogao.cloud
# 说明已经无缝切换到 web2
场景3：主节点恢复
# 重新启动 web1 上的 keepalived
systemctl start keepalived.service

# 因为 web1 的 priority=110 高于 web2 的 100，它会重新抢占 VIP（若配置了抢占模式，默认即抢占）
# 稍等几秒后，VIP 将回到 web1

# 在 web1 上确认
ip -br a show ens33 | grep 10.1.8.100   # 应出现

# 客户端再次访问
curl 10.1.8.100
# 输出恢复为：welcome to web1.laogao.cloud

六、Keepalived 配置文件深度解析

Keepalived 配置文件 (/etc/keepalived/keepalived.conf) 可分为三大区块：

6.1 全局配置（global_defs）

global_defs {
    # 邮件通知相关（可选）
    notification_email {
        admin@example.com
    }
    notification_email_from keepalived@example.com
    smtp_server 127.0.0.1
    smtp_connect_timeout 30

    # 节点身份标识（重要，集群内唯一）
    router_id LVS_DEVEL

    # 性能与安全相关参数
    vrrp_skip_check_adv_addr   # 跳过检查 VRRP 通告中的所有地址（加速）
    vrrp_strict                # 严格遵守 VRRP 协议（建议生产环境开启）
    vrrp_garp_interval 0       # 发送免费 ARP 的延迟（秒）
    vrrp_gna_interval 0        # 发送 NA 消息的延迟
}

6.2 VRRP 实例配置（vrrp_instance）

vrrp_instance <实例名> {
    state MASTER|BACKUP        # 角色：主或备
    interface eth0             # VIP 绑定的网卡
    mcast_src_ip 192.168.1.1   # 指定发送心跳的源 IP（多网卡时有用）
    virtual_router_id 51       # VRRP 组 ID，主备一致
    priority 150               # 优先级，Master 应高于 Backup
    advert_int 1               # 心跳间隔（秒）
    
    authentication {           # 认证（防脑裂基础）
        auth_type PASS
        auth_pass secret
    }
    
    virtual_ipaddress {        # 虚拟 IP 列表
        192.168.1.100/24 dev eth0 label eth0:1
        192.168.1.200/24
    }
    
    track_interface {          # 监控的网卡，任何一块故障会触发降级
        eth0
        eth1
    }
    
    notify_master "/path/to/script.sh master"   # 成为 Master 时执行脚本
    notify_backup "/path/to/script.sh backup"   # 成为 Backup 时执行
    notify_fault "/path/to/script.sh fault"     # 故障时执行
}

6.3 LVS 配置（virtual_server）

此部分用于与 LVS 集成，可配置后端真实服务器及其权重、健康检查等。

virtual_server 10.1.8.100 80 {
    delay_loop 6              # 健康检查间隔
    lb_algo rr                # 负载均衡算法：rr｜wrr｜lc｜sh 等
    lb_kind DR                # 模式：DR｜NAT｜TUN
    persistence_timeout 50    # 会话保持时间（秒）
    protocol TCP

    real_server 10.1.8.11 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {           # TCP 健康检查
            connect_timeout 3
            connect_port 80
        }
    }
    real_server 10.1.8.12 80 {
        weight 1
        TCP_CHECK {
            connect_timeout 3
        }
    }
}

七、开启 Keepalived 日志（便于排错）

默认 keepalived 日志输出到系统日志，可单独拆分到文件。

# 1. 修改 /etc/sysconfig/keepalived
vim /etc/sysconfig/keepalived
# 将 KEEPALIVED_OPTIONS="-D" 改为：
KEEPALIVED_OPTIONS="-D -S 0"

# 2. 配置 rsyslog 接收 local0 日志
vim /etc/rsyslog.d/keepalived.conf
# 写入内容：
local0.*    /var/log/keepalived.log

# 3. 重启日志服务和 keepalived
systemctl restart rsyslog
systemctl restart keepalived

# 4. 实时监控日志
tail -f /var/log/keepalived.log

八、关键心跳参数 mcast_src_ip

当服务器有多个网卡时，可指定 VRRP 通告从哪个 IP 发出：

vrrp_instance Nginx {
    state MASTER
    interface ens36           # 用于通信的主接口
    mcast_src_ip 20.0.0.11    # 强制源 IP，避免路由混乱
    virtual_router_id 51
    priority 110
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass laogao@123
    }
    virtual_ipaddress {
        10.1.1.10/24
    }
}

九、总结

知识点 核心内容
Keepalived 作用 基于 VRRP 实现高可用；可搭配 LVS 做四层负载均衡，解决单点故障。
VRRP 核心 虚拟路由器 + VIP；Master 发送心跳，Backup 监听；故障时自动切换。
脑裂原因 心跳中断（网络、防火墙、高负载、配置不一致）。
脑裂解决方案 多心跳线路 + VRRP 认证 + 隔离脚本 + 业务层防双写 + 监控告警。
典型实验 Nginx + Keepalived 主备模式：VIP 自动漂移，客户端无感知访问真实服务。
配置关键点 router_id 唯一、virtual_router_id 一致、priority 主高备低、认证一致。

🔧 生产建议：

  • 不要依赖单一心跳链路，至少双链路。
  • 密码长度不超过 8 位（Keepalived 限制），或改用更高版本支持更长的认证方式。
  • 结合 vrrp_script 检测业务进程（如 nginx），避免只有 VIP 但业务已死的“假存活”。

通过 Keepalived 搭建的高可用架构，能够有效保障 Web、数据库、负载均衡器等关键服务的连续性，是现代 Linux 运维工程师必须掌握的核心技能之一。

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