前言
在业务量达到一定量的时候，往往单机的服务是会出现瓶颈的。此时最常见的方式就是通过负载均衡来进行横向扩展。其中我们最常用的软件就是 Nginx。通过其反向代理的能力能够轻松实现负载均衡，当有服务出现异常，也能够自动剔除。但是负载均衡服务自身也可能出现故障，因此需要引入其他的软件来实现负载均衡服务的高可用。本文就介绍了一种基于 LVS+Keepalived 的方式，来实现高可用 Web 集群。
LVS 与 Keepalived
LVS 是一种预装在 Linux 系统中，基于四层、具有强大性能的反向代理服务器。ipvsadm 是 LVS 的命令行管理工具。
LVS 特点是：
- 首先它是基于 4 层的网络协议的，抗负载能力强，对于服务器的硬件要求除了网卡外，其他没有太多要求；
- 配置性比较低，这是一个缺点也是一个优点，因为没有可太多配置的东西，大大减少了人为出错的几率；
- 应用范围比较广，不仅仅对 web 服务做负载均衡，还可以对其他应用（mysql）做负载均衡；
- LVS 架构中存在一个虚拟 IP 的概念，需要向 IDC 多申请一个 IP 来做虚拟 IP。
Keepalived 是一个基于 VRRP 协议来实现的服务高可用方案，可以利用其来避免 IP 单点故障，一般与其它负载均衡技术（如 LVS 、HAProxy 、Nginx）一起工作来达到集群的高可用。Keepalived 是 LVS 的扩展项目, 因此它们之间具备良好的兼容性，可直接通过 Keepalived 的配置文件来配置 LVS。
LVS 的工作原理可见参考文献
关于 LVS 和 Keepalived 详细的结构和原理，以及 LVS 和我们常用的 LB 软件 Nginx 的异同，可以阅读末尾提供的参考文献。接下来将介绍如何部署一个高可用的负载均衡集群。
相关术语
- LB (Load Balancer 负载均衡)
- HA (High Available 高可用)
- Failover (失败切换)
- Cluster (集群)
- LVS (Linux Virtual Server Linux 虚拟服务器)
- DS (Director Server)，指的是前端负载均衡器节点
- RS (Real Server)，后端真实的工作服务器
- VIP (Virtual IP)，虚拟的 IP 地址，向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的 IP 地址
- DIP (Director IP)，主要用于和内部主机通讯的 IP 地址
- RIP (Real Server IP)，后端服务器的 IP 地址
- CIP (Client IP)，访问客户端的 IP 地址
测试环境
软件环境：CentOS7、Keepalived1.3.5、ipvsadm1.27
DS1(MASTER)：172.17.13.120
DS1(BACKUP)：172.17.13.123
RS1：172.17.13.142:80 Nginx
RS1：172.17.13.173:80 Nginx
VIP：172.17.13.252
|
+----------------+-----------------+
| |
172.17.13.120|---- VIP:172.17.13.252 ----|172.17.13.123
+-------+--------+ +--------+-------+
| DS1 | | DS2 |
| LVS+Keepalived | | LVS+Keepalived |
+-------+--------+ +--------+-------+
| |
+----------------+-----------------+
|
+------------+ | +------------+
| RS1 |172.17.13.142 | 172.17.13.173| RS2 |
| Web Server +--------------+---------------+ Web Server |
+------------+ +------------+
集群的架构图如上图所示。DS1、DS2 为两个 LB 节点，RS1、RS2 为两个真实的服务节点，通过一个虚拟的 IP 地址对外提供服务。
最终我们要达到的目标为：
- Client 通过 VIP 访问服务能够将请求根据配置的规则进行分发（LB）
- 当 MATSER 的 LB 节点故障时，自动切换到 BACKUP 的 LB 节点上，保证服务正常访问；MASTER 恢复后，再次作为主 LB 负载节点
- 当某个 RS 节点故障时，自动剔除该节点；恢复后，再次加入集群
详细配置流程
安装相关软件
[root@localhost ~]# yum install ipvsadm keepalived -y
配置 Keepalived
- DS1(MASTER) 节点
[root@localhost ~]# vi /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalived
global_defs {
router_id LVS_DEVEL
}
vrrp_instance VI_1 {
state MASTER # 两个 DS，一个为 MASTER 一个为 BACKUP
interface enp1s0 # 当前 IP 对应的网络接口，通过 ifconfig 查询
virtual_router_id 62 # 虚拟路由 ID(0-255)，在一个 VRRP 实例中主备服务器 ID 必须一样
priority 200 # 优先级值设定：MASTER 要比 BACKUP 的值大
advert_int 1 # 通告时间间隔：单位秒，主备要一致
authentication { # 认证机制，主从节点保持一致即可
auth_type PASS
auth_pass 1111
}
virtual_ipaddress {
172.17.13.252 # VIP，可配置多个
}
}
# LB 配置
virtual_server 172.17.13.252 80 {
delay_loop 3 # 设置健康状态检查时间
lb_algo rr # 调度算法，这里用了 rr 轮询算法
lb_kind DR # 这里测试用了 Direct Route 模式
persistence_timeout 50 # 持久连接超时时间
protocol TCP
real_server 172.17.13.173 80 {
weight 1
TCP_CHECK {
connect_timeout 10
retry 3 # 旧版本为 nb_get_retry
delay_before_retry 3
connect_port 80
}
}
real_server 172.17.13.142 80 {
weight 1
TCP_CHECK {
connect_timeout 10
retry 3
delay_before_retry 3
connect_port 80
}
}
}
- DS2(BACKUP) 节点
复制之前的配置文件，修改 vrrp_instance VI_1 中的 state 为 BACKUP。
配置完成后，分别重启 Keepalived 服务。
[root@localhost ~]# systemctl restart keepalived
配置 RS
RS 配置主要分两部分，一部分是 web 服务，另一部分是网络转发配置。
web 服务部署不多展开了，根据实际情况来，可以是 Tomcat 也可以是 Nginx，只要能通过 ip:port 能访问到即可。
在网络转发配置上，LVS 支持多种通信模型（NAT、DR、TUN），本文采用 DR 模型来进行通信，大致的流程如下图所示。请求数据包从到达 LB 后，LVS 会将这个数据包的 MAC 地址改成轮询到的 RS 的 MAC 地址，并丢给交换机；RS 收到后进行处理并从网卡的 lo 端口发送出去，响应报文到达交换机后直接转发给 Client。
因此，我们需要在 RS 的网卡上配置 lo 为 VIP。配置脚本如下
#!/bin/bash
SNS_VIP=172.17.13.252
case "$1" in
start)
ifconfig lo:0 $SNS_VIP netmask 255.255.255.255 broadcast $SNS_VIP
/sbin/route add -host $SNS_VIP dev lo:0
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
sysctl -p >/dev/null 2>&1
echo "RealServer Start OK"
;;
stop)
ifconfig lo:0 down
route del $SNS_VIP >/dev/null 2>&1
echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce
echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
echo "0" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
echo "RealServer Stoped"
;;
*)
echo "Usage: $0 {start|stop}"
exit 1
esac
exit 0
本地创建完后，并执行。
[root@localhost ~]# chmod a+x lvs-web.sh
[root@localhost ~]# ./lvs-web.sh start
配置完成后，通过 VIP 就可以访问到 RS 上的服务了。
HA 测试
配置完双机热备后，我们就可以测试下，节点发生故障后以及 LB 切换失败后，能否保证服务的 HA。
在 LB 的主节点上输入 ip a，可以看到 VIP 目前已经正确配置在网卡上。
输入 watch ipvsadm -Ln --stats 可实时看到负载均衡的结果，正常。
接下面我们试着访问一下 VIP。
[root@localhost ~]# while true ; do curl 172.17.13.252; sleep 1;done
看到服务可正常轮询。
此时手动停止一个 RS，再次访问 VIP，LVS 会自动剔除无法访问的服务，重启后，服务会被自动添加。
如果此时，手动停止 MASTER 上的 Keepalived，模拟 LB MASTER 节点挂了，VIP 会自动飘到 BACKUP LB 上。
此时，如果重启 MASTER 后，VIP 又会飘回去。MASTER 的优先级高于 BACKUP，从而实现 HA。
总结
本文介绍了使用 LVS+Keepalived 来实现高可用负载均衡，这能使得我们的服务能够更加的稳定。Keepalived 默认是运行在 LVS 之上的，有较好的兼容性，当然我们也可以使用户 Nginx 作为 LB 的软件，可根据业务和两者的异同进行选择。