【ch11】高性能集群软件-Keepalived

《Linux服务器安全管理高级运维》课程教案课题：项目11高性能集群软件——Keepalived教学目的：1.了解Keepalived的工作原理2.了解Keepalived的体系结构3.了解Keepalived的基本使用方法4.掌握Keepalived基础功能的使用方法5.掌握使用LVS+Keepalived实现高可用的前端负载均衡器的方法课型：新授课课时：本章安排6个课时。教学重点：重点：掌握Keepalived的VRRP工作原理、配置文件结构（全局定义块/VRRP实例定义块/虚拟服务器定义块）及核心参数配置。掌握LVS+Keepalived集成部署中DR模式的配置方法，包括前端负载均衡器配置、后端RS配置及VIP漂移验证。教学难点：难点：Keepalived集群中Master与Backup角色的选举策略，特别是vrrp_script模块中weight值（正负）对优先级的动态调整机制及切换条件。LVS的DR（DirectRouting）模式工作原理，后端RS的ARP抑制配置（arp_ignore/arp_announce）及VIP在环回口的绑定原理。教学过程：教学形式：讲授与实训结合，教学组织采用课堂整体讲授、命令行演示操作与分组讨论相结合的方式。教学媒体：采用“课堂整体讲授+投屏命令行演示+系统运行测试”的方式进行。通过整体讲授建立Keepalived高性能集群软件的完整知识框架，涵盖Keepalived简介与工作原理、VRRP协议、体系结构、安装配置、基础HA功能、vrrp_script资源监控、主备选举策略及LVS+Keepalived集成实战八大模块；借助投屏实时执行命令，分步演示yum源与源码编译安装Keepalived、keepalived.conf全局配置与VRRP实例配置（state/priority/virtual_router_id/virtual_ipaddress/authentication）、notify脚本（master.sh/backup.sh/fault.sh）执行跟踪、vrrp_script监控配置（killall/端口检测/Shell语句/自定义脚本）、LVS+Keepalived集成中virtual_server配置（lb_algorr/lb_kindDR/TCP_CHECK健康检查）、后端RS的lvs_dr_rs脚本配置（VIP绑定到lo:100及ARP抑制参数）、ipvsadm-ln查看LVS集群状态、客户端curl轮询测试、Keepalived服务停止模拟故障切换与VIP漂移验证等关键操作；同时设计Keepalived主备模式与抢占/非抢占模式对比、Weight正负值对选举策略的影响对比、LVS的DR/NAT/TUN三种工作模式对比、Keepalived仅HA模式与HA+LB模式配置对比等多组对比案例，引导学生通过对比分析掌握Keepalived的核心机制与最佳实践。板书设计：本课标题高性能集群软件——Keepalived课次3授课方式理论课□讨论课□习题课□其他□课时安排6学分共2分授课对象普通高等院校学生任课教师教材及参考资料1.《Linux服务器安全管理高级运维》；电子工业出版社。2.本教材配套视频教程及学习检查等资源。3.与本课程相关的其他资源。教学基本内容教学方法及教学手段项目情境Keepalived是Linux系统下的一个轻量级的高可用解决方案。Keepalived旨在实现服务的高可用性。Keepalived最初是针对LVS进行研发的，专门用于监控集群系统中各个服务节点的状态。它根据网络参考模型中的第三层、第四层、第五层交换机制来检测每个服务节点的状态。如果某个服务节点出现异常或工作出现故障，则Keepalived能检测到并将出现故障的服务节点从集群系统中剔除。这些工作都是自动完成的，不需要人工干预。需要人工干预的只是修复出现故障的服务节点。参考以下形式：1.衔接导入2.悬念导入3.情景导入4.激疑导入5.演示导入6.实例导入7.其他形式本章基本知识汇总任务1Keepalived11.1.1Keepalived简介最初针对LVS研发，用于监控集群系统中各服务节点状态。后加入VRRP功能，实现网络不间断稳定运行。两大核心功能：健康检查（TCP三次握手/ICMP/HTTP/UDPEcho检测后端服务器存活）和失败切换（通过VRRP维持主备负载均衡器心跳，主故障时备接管业务）。11.1.2VRRP协议与工作原理VRRP（虚拟路由冗余协议）：解决静态路由单点故障问题，将几台路由设备联合组成虚拟路由设备，保证通信连续性和可靠性。虚拟路由器：备份组中所有路由器的集合（主路由器+所有备份路由器=虚拟路由器），拥有虚拟IP（VIP）和虚拟MAC（00-00-5E-00-01-{VRID}）。角色：Master路由器（拥有VIP，对外提供服务，发送VRRP通告）和Backup路由器（不拥有VIP，仅接收通告，Master失效时重新选举）。工作步骤：选举Master设备→发送免费ARP通告虚拟MAC→Master周期性发送VRRP通告→Master故障时Backup重新选举Master→新Master发送免费ARP刷新MAC表项→原Master恢复后（优先级255则直接切Master，<255则切Backup）→根据抢占/非抢占模式决定是否重新选举。11.1.3Keepalived的工作原理通过VRRP实现故障切换和转移。可单独作为高可用解决方案（NGINX/Haproxy/MySQL等），也可与LVS配合管理集群节点状态。工作在网络层（第三层：ICMP探测）、传输层（第四层：TCP端口连接扫描）、应用层（第五层：自定义脚本检测）。抢占模式：Master恢复后重新夺回VIP；非抢占模式（nopreempt）：Backup接管后不再交还。11.1.4Keepalived的体系结构内核空间层：IPVS模块（实现基于IP地址的负载均衡，与LVS配合）、NETLINK模块（处理高级路由和网络功能）。用户空间层：SchedulerI/OMultiplexer（I/O复用调度器）、MemoryManagement（内存管理）、ControlPlane（配置文件编译解析）、CoreComponents（核心组件）。CoreComponents模块：WatchDog（监控Checkers和VRRP进程，故障时重启或关闭）、Checkers（服务器运行状态检测和故障隔离）、VRRPStack（HA集群失败切换）、IPVSWrapper（将IPVS规则发送到内核IPVS模块）、NetlinkReflector（VIP设置和切换）。任务2Keepalived的安装与配置11.2.1Keepalived的安装yum源安装：yuminstall-ycurlgccopenssl-devellibnl3-develnet-snmp-devel→yuminstall-ykeepalived→systemctlstart/enable/restart/statuskeepalived。源码编译安装：wgetkeepalived-2.0.7.tar.gz→tarxvf→./configure--prefix=/usr/local/keepalived→make&&makeinstall→复制配置文件（/usr/local/etc/keepalived/keepalived.conf）、sysconfig文件、主程序到/usr/sbin、启动脚本到/etc/init.d→chkconfig--addkeepalived→servicekeepalivedstart|stop|restart。11.2.2Keepalived的全局配置配置文件keepalived.conf包含3个块：全局定义块（global_defs，必需）、VRRP实例定义块（vrrp_instance，定义HA）、虚拟服务器定义块（virtual_server，可选，仅负载均衡时需要）。global_defs参数：notification_email（邮件通知列表）、notification_email_from（发件人）、smtp_server（邮件服务器）、smtp_connect_timeout（超时）、lvs_id（LVS标识）、router_id（本节点标识字符串）。11.2.3Keepalived的VRRP配置vrrp_sync_group：同步组，将多个VRRP实例绑定在一起同步切换。vrrp_instance参数：state（MASTER/BACKUP）、virtual_router_id（VRID，0-255，主备必须一致）、interface（绑定网卡）、mcast_src_ip（多播源IP）、priority（优先级，越大越优先）、advert_int（通告间隔）、nopreempt（非抢占模式）、smtp_alert（邮件报警）、authentication{auth_typePASS/AH;auth_pass密码}、virtual_ipaddress（VIP列表，格式@IPdevinterface）、track_script（引用监控脚本）。virtual_server参数：delay_loop（健康检查间隔）、lb_algo（调度算法rr/wrr/lc/wlc/sh/dh/lblc）、lb_kind（转发方式NAT/DR/TUN）、persistence_timeout（持久连接超时）、protocol（TCP/UDP）、real_server（后端真实服务器IP:PORT，含weight权重和健康检查方式TCP_CHECK/HTTP_GET/MISC_CHECK）。任务3Keepalived的基础功能应用实例11.3.1Keepalived的基础HA功能示范环境：keepalived-master（1，priority100）和keepalived-backup（2，priority80），VIP0，提供HTTPD服务。配置要点：master节点stateMASTER/priority100，backup节点stateBACKUP/priority80；notify_master/notify_backup/notify_fault脚本记录角色切换日志；track_script引用check_httpd（killall-0httpd检测）。启动流程：Keepalived启动后共3个进程（父进程+vrrp子进程+healthcheckers子进程）。故障切换：master故障时backup立即接管VIP（几秒内完成，ping几乎无延时）。非抢占模式（nopreempt）：Master故障恢复后不希望再次切回，避免不必要的切换对业务造成影响。配置方法：两台服务器初始状态均设为BACKUP，设置不同优先级，对高优先级节点设置nopreempt。11.3.2通过vrrp_script模块实现对集群资源的监控killall探测：script"killall-0nginx"（0正常，1异常），interval2，weight30。端口检测：script"</dev/tcp/:80"，fall2（失败超过2次切换），rise1（1次成功即恢复）。Shell语句检测：检测nginx.pid文件是否存在（if[-f/usr/local/nginx/logs/nginx.pid];thenexit0;elseexit1;fi）。自定义脚本检测：script"/etc/keepalived/check_mysqld.sh"（mysql-e"showstatus;"检测MySQL状态）。11.3.3Keepalived集群中Master和Backup角色选举策略集群角色由priority值和vrrp_script中的weight值共同决定。weight值为正数时：脚本检测成功时节点权值=priority+weight；检测失败时权值=priority。切换条件：Master检测失败时，若Master的priority<Backup的priority+weight，则切换。weight值为负数时：脚本检测成功时权值=priority；检测失败时权值=priority-|weight|。切换条件：Master检测失败时，若Master的priority-|weight|<Backup的priority，则切换。配置原则：weight的绝对值要大于Master和Backup节点的priority值之差，否则Master故障时无法完成切换。任务4利用LVS+Keepalived实现高可用的前端负载均衡器实训案例11.4.1实训前的准备拓扑架构：Client（node05）→VIP（0）→LVS+KeepalivedMaster（node01，1）/Backup（node02，2）→NGINXWebRS（node03，3）/RS（node04，4）。角色分配：node01（LVSDirector+KeepalivedMaster）、node02（LVSDirector+KeepalivedBackup）、node03/node04（NGINXWebServer+LVSRS）。11.4.2实训步骤前端Keepalived+LVS配置（node01/node02）：global_defs中router_id分别设为LVS_DEVEL1/LVS_DEVEL2。vrrp_instanceVI_1：node01stateMASTER/priority200，node02stateBACKUP/priority100；interfaceens33；virtual_router_id51；authenticationPASS/1111；virtual_ipaddress0。virtual_server080：lb_algorr（轮询）；lb_kindDR（直接路由）；protocolTCP；real_server3:80和4:80各weight1；TCP_CHECK健康检查（connect_timeout3/nb_get_retry3/delay_before_retry3/connect_port80）。后端Web服务配置（node03/node04）：yuminstallnginx→echo"IPwebtestpage">/usr/share/nginx/html/index.html→systemctlenable--nownginx。后端LVSRS配置（node03/node04）：编写/etc/init.d/lvs_dr_rs脚本：VIP绑定到lo:100（ifconfiglo:100VIPnetmask55broadcastVIPup）；routeadd-hostVIPdevlo:100；ARP抑制参数设置（arp_ignore=1，arp_announce=2forlo/ens33/all）。chmod+x/etc/init.d/lvs_dr_rs→chkconfig--addlvs_dr_rs→systemctlenable--nowlvs_dr_rs。LVS集群查看：ipvsadm-ln显示VIP:80→RS:80（Route转发，Weight1，ActiveConn0）。11.4.3实训测试Keepalived健康检查：动态监控ipvsadm-ln（每2秒刷新）。模拟后端故障：node04停止nginx→ipvsadm仍显示两个RS但实际流量只转发到node03→node05curl只返回node03响应。后端恢复：node04启动nginx→ipvsadm恢复两个RS→curl轮询返回两个节点响应。KeepalivedMaster/Backup切换：node01正常时VIP0绑定在node01的ens33上，node02无VIP。模拟Master故障：n