简述keepalived工作原理

1VRRP

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）：虚拟路由冗余协议，解决静态网关单点故障风险，它能够保证当个别节点宕机时，整个网络可以不间断地运行。

• 物理层：路由器、三层交换机
• 软件层：keepalived

1.1VRRP相关术语

• 虚拟路由器：Virtual Router

• 虚拟路由器标识：VRID（0-255），唯一标识虚拟路由器

• VIP：Virtual IP，虚拟路由器的IP地址

• VMAC：Virutal MAC (00-00-5e-00-01-VRID)

• 物理路由器：
  master：主设备，虚拟路由器中承担报文转发任务的路由器
  backup：备用设备，master路由器出现故障时，能够代替master路由器工作的路由器
  priority：优先级，VRRP根据优先级来确定虚拟路由器中每台路由器的地位。

1.2VRRP相关技术

通告：心跳，优先级等；周期性
工作方式：抢占式，非抢占式

• 抢占模式：在抢占模式下，如果Backup设备的优先级比当前Master设备的优先级高，则主动将自己切换成Master。

• 非抢占模式：在非抢占模式下，只要Master设备没有出现故障，Backup设备即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master设备。

  安全认证：

• 无认证：不进行任何VRRP报文的合法性认证，不提供安全性保障

• 简单字符认证：预共享密钥，在一个有可能受到安全威胁的网络中，可以将认证方式设置为简单字符认证

• MD5认证：在一个非常不安全的网络中，可以将认证方式设置为MD5认证

工作模式：

• 主/备：单虚拟路由器
• 主/主：主/备（虚拟路由器1），备/主（虚拟路由器2）

1.3VRRP工作过程

VRRP的工作过程如下：

（1）VRRP备份组中的设备根据优先级选举出Master。Master设备通过发送免费ARP报文，将虚拟MAC地址通知给与它连接的设备或者主机，从而承担报文转发任务。

（2）Master设备周期性向备份组内所有Backup设备发送VRRP通告报文，以公布其配置信息（优先级等）和工作状况。

（3）如果Master设备出现故障，VRRP备份组中的Backup设备将根据优先级重新选举新的Master。

（4）VRRP备份组状态切换时，Master设备由一台设备切换为另外一台设备，新的Master设备会立即发送携带虚拟路由器的虚拟MAC地址和虚拟IP地址信息的免费ARP报文，刷新与它连接的主机或设备中的MAC表项，从而把用户流量引到新的Master设备上来，整个过程对用户完全透明。

（5）原Master设备故障恢复时，若该设备为IP地址拥有者（优先级为255），将直接切换至Master状态。若该设备优先级小于255，将首先切换至Backup状态，且其优先级恢复为故障前配置的优先级。

（6）Backup设备的优先级高于Master设备时，由Backup设备的工作方式（抢占方式和非抢占方式）决定是否重新选举Master。

2keepalived介绍

keepalived基于VRRP协议的软件实现，原生设计目的为了高可用 ipvs服务

ipvs，IP虚拟服务器（IP Virtual Server，简写为IPVS）。是运行在LVS下的提供负载均衡功能的一种技术。

keepalived的功能：

• 基于vrrp协议完成地址流动
• 为vip地址所在的节点生成ipvs规则(在配置文件中预先定义)
• 为ipvs集群的各RS（后端的Real Server）做健康状态检测
• 基于脚本调用接口完成脚本中定义的功能，进而影响集群事务，以此支持nginx、haproxy等服务

2.1Keepalived架构

• 用户空间核心组件：
  vrrp stack：VIP消息通告
  checkers：监测real server
  system call：实现 vrrp 协议状态转换时调用脚本的功能
  SMTP：邮件组件
  IPVS wrapper：生成IPVS规则
  Netlink Reflector：网络接口
  WatchDog：监控进程
• 控制组件：提供keepalived.conf 的解析器，完成Keepalived配置
• IO复用器：针对网络目的而优化的自己的线程抽象
• 内存管理组件：为某些通用的内存管理功能（例如分配，重新分配，发布等）提供访问权限

3keepalived的工作原理

Keepalived高可用对之间是通过VRRP进行通信的，VRRP是通过竞选机制来确定主备节点的，主节点的优先级高于备节点，因此，工作时主节点会优先获得所有的资源，备节点处于等待状态，当主节点出现故障时，备节点就会接管主节点的资源，然后顶替主节点对外提供服务。

在Keepalived服务对之间，只有作为主节点的服务器会一直发送 VRRP广播包，告诉备节点它还活着，此时备节点不会抢占主节点资源，当主节点不可用时，即备节点监听不到主节点发送的广播包时，备节点就会启动相关服务接管主节点的资源，保证业务的连续性。接管速度最快可以小于1秒。

3.1Keepalived高可用故障切换转移原理

Keepalived高可用服务之间的故障切换转移，还是通过VRRP（Vritual Route Redundancy Protocol，虚拟路由冗余协议）来实现的 。

在Keepalived服务正常工作时，Master主节点会不断向Backup备节点发送心跳消息（多播的方式），用来告诉备用节点自己还活着，当Master主节点出现故障时，就无法发送心跳消息，备节点也就因此无法继续检测到来自Master主节点的心跳消息了，于是调用自身的接管程序，接管Master主节点的IP资源及服务。而当Master主节点恢复时，Backup备节点默认又会主动释放主节点故障时自身接管的IP资源及服务，恢复到原来的备用角色。

4脑裂

4.1什么是脑裂？

• 在高可用（HA）系统中，当联系2个节点的“心跳线”断开时，本来为一整体、动作协调的HA系统，就分裂成为2个独立的个体。

• 由于相互失去了联系，都以为是对方出了故障。两个节点上的HA软件像“裂脑人”一样，争抢“共享资源”、争起“应用服务”，就会发生严重后果。共享资源被瓜分、两边“服务”都起不来了；或者两边“服务”都起来了，但同时读写“共享存储”，导致数据损坏

4.2造成脑裂的原因有哪些？

• 高可用服务器对之间心跳线链路发生故障，导致无法正常通信。
• 因心跳线坏了（包括断了，老化）。
• 因网卡及相关驱动坏了，ip配置及冲突问题（网卡直连）
• 因心跳线间连接的设备故障（网卡及交换机）
• 因仲裁的机器出问题（采用仲裁的方案）
• 高可用服务器上开启了 iptables防火墙阻挡了心跳消息传输。
• 高可用服务器上心跳网卡地址等信息配置不正确，导致发送心跳失败
• 其他服务配置不当等原因，如心跳方式不同，心跳广插冲突、软件Bug等。

4.3如何解决keepalived脑裂问题？

• 同时使用串行电缆和以太网电缆连接、同时使用两条心跳线路，这样一条线路断了，另外一条还是好的，依然能传送心跳消息
• 当检查脑裂时强行关闭一个心跳节点（这个功能需要特殊设备支持，如stonith、fence）相当于备节点接收不到心跳消息，通过单独的线路发送关机命令关闭主节点的电源
• 做好对脑裂的监控报警

解决常见方案：

• 如果开启防火墙，一定要让心跳消息通过，一般通过允许IP段的形式解决
• 可以拉一条以太网网线或者串口线作为主被节点心跳线路的冗余
• 开发检测程序通过监控软件检测脑裂