Keepalived：从原理到部署的高可用集群搭建指南

Keepalived高可用集群：从原理到部署的高可用集群搭建指南

在企业级应用中，服务连续性直接影响业务稳定性和用户体验，高可用集群技术正是保障服务不中断的核心手段。Keepalived作为一款轻量且高效的高可用工具，常与Nginx、LVS等服务搭配使用，构建可靠的集群架构。本文将从基础概念入手，逐步拆解Keepalived原理，结合两大实战案例，带你从零搭建高可用集群。

文章目录

• Keepalived高可用集群：从原理到部署的高可用集群搭建指南
• 一、高可用集群基础认知
• • 1.1 什么是高可用集群
  • 1.2 高可用集群的衡量标准
  • 1.3 自动侦测
  • • 1.3.1 脑裂问题解析与解决方案
    • • 1.3.1.1 脑裂简介
      • 1.3.2 脑裂产生的原因
      • 1.3.3 脑裂的常见解决方案
  • 1.4 其他高可用方案
• 二、Keepalived核心原理
• • 2.1 Keepalived是什么
  • 2.2 VRRP协议基础
  • 2.3 Keepalived工作原理
• 三、实战案例：Keepalived搭建Web高可用集群
• • 3.1 实验环境
  • 3.2 部署步骤（Server1与Server2均执行）
  • • 3.2.1 安装Nginx服务
    • 3.2.2 安装Keepalived
    • 3.2.3 配置Keepalived
    • 3.2.4 启动Keepalived服务
  • 3.3 测试基础高可用功能
  • 3.4 解决Keepalived无法监控Nginx状态的问题
  • • 步骤1：编写Nginx监控脚本（主备节点均执行）
    • 步骤2：确保Keepalived引用脚本生效
    • 步骤3：测试脚本效果
• 四、进阶实战：Keepalived+LVS高可用集群
• • 4.1 环境与拓扑
  • 4.2 部署步骤
  • • 4.2.1 负载均衡器配置（Master与Backup）
    • master和backup上启动服务
    • 4.2.2 Web服务器配置（RS1与RS2均执行）
  • 4.3 集群测试

一、高可用集群基础认知

1.1 什么是高可用集群

高可用集群（High Availability Cluster，简称HA Cluster），是指以减少服务中断时间为目的的服务器集群技术。它通过保护用户的业务程序对外不间断提供的服务，把因软件、硬件、人为造成的故障对业务的影响降低到最小程度。

1.2 高可用集群的衡量标准

高可用集群的核心价值，在于保障业务服务的连续性，其核心能力主要体现在自动侦测与自动故障转移两大关键维度：

• 自动侦测：对集群内各节点的运行状态进行实时监控，覆盖硬件健康度、服务进程状态等核心维度，能够精准识别并捕捉各类故障隐患，为故障快速处置提供前置判断依据。
• 自动故障转移（FailOver）：当主节点故障被检测到后，无需人工介入，备节点可自动接管主节点的全部服务与资源，实现服务无感知切换，确保用户访问流程不受中断影响。

在实际业务场景中，要让集群服务实现 100% 的永久无间断可用，几乎是难以达成的目标。例如淘宝在历年双十一购物节初期，短时间内海量访问请求集中涌入，曾出现过下单后无法正常支付等服务异常情况。因此高可用集群的设计核心，是尽可能提升服务的有效可用时长；当然在部分业务复杂度低、访问量平稳的特殊场景下，服务的 100% 可用仍具备实现可能性。

行业内有统一的量化指标来评估高可用集群的性能：以平均无故障时间（MTTF：Mean Time to Failure） 度量系统的可靠性，以平均故障恢复时间（MTTR：Mean Time to Restoration） 度量系统的可维护性。基于这两个指标，系统可用性（HA）的计算公式被定义为：HA=MTTF/(MTTF+MTTR)×100%

1.3 自动侦测

自动侦测阶段由主机上的软件通过冗余侦测线，经由复杂的监听程序，逻辑判断，来相互侦测对方运行的情况。 常用的方法是：集群各节点间通过心跳信息判断节点是否出现故障。

1.3.1 脑裂问题解析与解决方案

1.3.1.1 脑裂简介

脑裂（Split-Brain）是主备架构高可用集群中典型的故障场景，特指主备节点因网络中断等问题导致心跳通信链路失效，双方无法感知彼此运行状态，进而互判对方已宕机，各自抢占主节点角色形成双主冲突，最终引发数据不一致、服务逻辑混乱等严重问题。 在高可用（HA）系统中，主备节点间用于感知对方状态的通信链路被称为“心跳线”，是保障集群一体化协同工作的核心通道。当该链路断开时，原本统一调度、动作协调的HA系统，会直接分裂为两个完全独立的节点个体。 由于相互失去状态感知，两个节点的HA管理软件会同时误判对方发生故障，如同“裂脑人”一般发起资源与服务的争抢：要么集群共享资源被双方瓜分抢占，导致两端的应用服务均无法正常启动；要么两端服务均强行启动，且同时对集群共享存储进行读写操作，最终造成核心数据损坏，其中数据库联机日志因被轮询写入而出错，是此类故障中最常见的表现形式。

1.3.2 脑裂产生的原因

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。

1.3.3 脑裂的常见解决方案

针对脑裂问题，需从“预防”和“兜底”两方面入手，常见方案如下：

1.4 其他高可用方案

除Keepalived外，行业内还有多款成熟的高可用工具，适用于不同场景：

• Heartbeat：开源经典工具，专注于节点心跳检测和资源切换，可与Pacemaker搭配实现复杂集群管理。

• Pacemaker：强大的集群资源管理器，支持多种资源类型（IP、服务、存储等），调度策略灵活，适用于大规模集群。

• Piranha：提供Web可视化界面，简化集群配置和管理，适合对操作便捷性有要求的中小型集群。

二、Keepalived核心原理

了解基础概念后，我们聚焦Keepalived——这款工具凭借轻量化、易部署的优势，成为中小企业高可用集群的首选，其核心能力基于VRRP协议实现。

2.1 Keepalived是什么

Keepalived是一款基于Linux系统的开源高可用服务软件，核心功能是实现节点故障检测和自动切换，同时支持与LVS等负载均衡工具联动，构建“高可用+负载均衡”一体化集群。它无需依赖共享存储，仅通过网络心跳即可实现主备协同，部署成本极低。

2.2 VRRP协议基础

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由冗余协议）是Keepalived的核心依赖，其设计目标是解决静态路由的单点故障问题，通过将多个物理节点虚拟为一个“虚拟路由器”，对外提供统一访问入口。

VRRP核心组件说明：

• 虚拟IP（VIP）：集群对外服务的统一IP地址，用户通过VIP访问服务，主备切换时VIP自动漂移，用户无感知。

• 主路由器（Master）：优先级最高的节点，负责处理所有用户请求，同时定期向备节点发送心跳报文，告知自身状态。

• 备份路由器（Backup）：持续监听主节点心跳，当未收到心跳（或心跳异常）时，判定主节点故障，自动升级为新主节点，接管VIP和服务。

补充：IPv4环境下，VRRP支持组播、广播、单播三种通信方式，Keepalived默认使用组播（通信地址为224.0.0.0段）传递心跳报文，配置简单且兼容性强。

2.3 Keepalived工作原理

Keepalived由三大核心模块组成，各模块协同实现高可用功能，流程清晰易懂：

三、实战案例：Keepalived搭建Web高可用集群

理论结合实践，本案例将搭建“Keepalived+Nginx”主备集群，实现Web服务的高可用——当主节点Nginx故障或节点宕机时，备节点自动接管服务，保障用户访问不中断。

3.1 实验环境

本次实战采用双节点主备架构，共三台虚拟机，环境信息如下（CentOS7系统为例）：

• Server1（主节点）：IP地址 192.168.0.128，部署Nginx+Keepalived

• Server2（备份节点）：IP地址 192.168.0.129，部署Nginx+Keepalived

• VIP（虚拟IP）：192.168.0.10，，对外提供Web服务的统一入口

• 远程工具：Xshell

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  高可用集群节点层双节点主备集群·CentOS7

  虚拟IP入口层

  客户端访问层

  Keepalived VRRP 心跳链路主备状态检测/故障感知

  访问Web服务

  正常状态：映射至主节点

  故障状态：漂移至备节点

  用户/客户端

  VIP 192.168.0.10Web服务统一访问入口由Keepalived管理漂移

  Server1 主节点IP：192.168.0.128部署：Nginx+Keepalived

  Server2 备节点IP：192.168.0.129部署：Nginx+Keepalived

3.2 部署步骤（Server1与Server2均执行）

主备节点（Server1和2）基础环境部署步骤完全一致，先完成Nginx和Keepalived的安装与基础配置。

3.2.1 安装Nginx服务

# 安装Nginx（yum方式适用于CentOS/RHEL系统，自动解决依赖）
yum -y install nginx

# 设置Nginx开机自启，避免服务器重启后服务中断
systemctl enable nginx

# 启动Nginx服务，完成基础部署
systemctl start nginx

# 编辑Web主页内容（主备节点内容区分，方便后续测试切换效果）
[root@server1 ~]# echo "nginx111111" > /usr/share/nginx/html/index.html
[root@server2 ~]# echo "nginx222222" > /usr/share/nginx/html/index.html
# 示例：Server1主页写“nginx111111”，Server2写“nginx222222”

# 本地访问测试，验证Nginx是否正常运行,或使用浏览器访问IP验证
curl -i localhost

3.2.2 安装Keepalived

# yum安装Keepalived，无需手动编译，效率更高
yum -y install keepalived

# 设置Keepalived开机自启，与Nginx保持一致的启动策略
systemctl enable keepalived.service

3.2.3 配置Keepalived

Keepalived核心配置文件为/etc/keepalived/keepalived.conf，主备节点需差异化配置，关键参数必须保持一致（如虚拟路由ID、认证密码）。

Server1（主节点）配置：

! Configuration File for keepalived
global_defs {
router_id 1 # 节点唯一标识，主备节点需不同（如主1、备2）
}

#vrrp_script chk_nginx { #健康检查
# script "/etc/keepalived/ck_ng.sh" #检查脚本
# interval 2 #检查频率.秒
# weight -5 #priority减5
# fall 3 #失败三次
# }

vrrp_instance VI_1 { #VI_1。实例名两台路由器相同。
state MASTER #主或者从状态
interface ens33 #心跳检测使用的IP（需根据实际环境修改，用ip a查看）
mcast_src_ip 192.168.0.128
virtual_router_id 55 #虚拟路由ID，主备节点必须一致（取值0-255）
priority 100 # 优先级，MASTER优先级需高于BACKUP（建议差值≥10）
advert_int 1 # 心跳发送间隔，单位秒（默认1秒，间隔越小切换越快）

authentication { #秘钥认证(1-8位)
auth_type PASS# 认证方式：密码认证（仅支持PASS）
auth_pass 123456# 认证密码，主备节点必须一致（取值4-8位字符）
}

virtual_ipaddress { # 虚拟IP（VIP），可配置多个，换行分隔
192.168.0.10/24
}
# 引用Nginx监控脚本（后续添加脚本后启用，实现服务状态联动）
# track_script { #引用脚本
# chk_nginx
# }

}

Server2（备份节点）配置：

# 复制主节点配置文件到备份节点，减少重复编写（需输入主节点密码）
scp -r /etc/keepalived/keepalived.conf 192.168.0.129:/etc/keepalived/

# 编辑备份节点配置文件，修改3处关键参数（其余与主节点一致）
vi /etc/keepalived/keepalived.conf

# 修改后的配置
! Configuration File for keepalived
global_defs {
router_id 2
}

#vrrp_script chk_nginx {
# script "/etc/keepalived/ck_ng.sh"
# interval 2
# weight -5
# fall 3
# }

vrrp_instance VI_1 {
state BACKUP
interface ens33
mcast_src_ip 192.168.0.129
virtual_router_id 55
priority 99
advert_int 1

authentication {
auth_type PASS
auth_pass 123456
}

virtual_ipaddress {
192.168.0.10/24
}

# track_script {
# chk_nginx
# }

}

3.2.4 启动Keepalived服务

# 启动Keepalived服务，加载配置文件
systemctl start keepalived

# 可选：查看服务状态，确认启动成功（显示active(running)即为正常）
systemctl status keepalived

3.3 测试基础高可用功能

基础配置完成后，通过以下步骤验证主备切换功能是否正常：

3.4 解决Keepalived无法监控Nginx状态的问题

上述基础配置存在一个缺陷：Keepalived仅监控自身和网卡状态，若Nginx服务崩溃但Keepalived仍运行，会导致VIP虽在主节点，但Web服务不可用。需添加监控脚本，实现Keepalived与Nginx状态联动。

步骤1：编写Nginx监控脚本（主备节点均执行）

# 在Keepalived配置目录下创建脚本文件
vi /etc/keepalived/ck_ng.sh

# 脚本内容（逻辑：检测Nginx进程，不存在则重启；重启失败则停止Keepalived，触发切换）
#!/bin/bash
# 统计Nginx进程数量，判断服务是否运行
nginx_status=$(ps -C nginx –no-header | wc -l)
if [ $nginx_status -eq 0 ]; then
# 尝试重启Nginx服务
systemctl start nginx.service
# 等待3秒（给Nginx启动时间），再次检测进程状态
sleep 3
nginx_status=$(ps -C nginx –no-header | wc -l)
if [ $nginx_status -eq 0 ]; then
# 重启失败，说明Nginx服务异常，停止Keepalived触发故障转移
systemctl stop keepalived.service
fi
fi

# 给脚本添加执行权限（否则Keepalived无法调用）
chmod +x /etc/keepalived/ck_ng.sh

步骤2：确保Keepalived引用脚本生效

前文配置文件已添加track_script段引用脚本，此处需清除掉配置文件中的注释，重启Keepalived加载配置，使脚本生效：

# Server1和2删除主备/etc/keepalived/keepalived.conf配置文件中的脚本引用配置前面的#号
vrrp_script chk_nginx {
script "/etc/keepalived/ck_ng.sh"
interval 2
weight -5
fall 3
}
track_script {
chk_nginx
}

# 重启Keepalived服务，应用脚本配置
systemctl restart keepalived.service

步骤3：测试脚本效果

手动模拟Nginx故障，验证脚本联动效果：

四、进阶实战：Keepalived+LVS高可用集群

基础案例仅解决单服务高可用，实际生产中常需同时实现“负载均衡+高可用”——通过LVS分发请求到多个Web节点，通过Keepalived保障LVS节点不中断，构建更稳定、高性能的集群架构。

4.1 环境与拓扑

本次采用“双LVS节点（主备）+双Web节点”架构，环境信息如下：

• 负载均衡器（Director）：

  • Master（DR1）：192.168.0.128，部署Keepalived+LVS

  • Backup（DR2）：192.168.0.129，部署Keepalived+LVS

• Web服务器（Real Server，RS）：

  • RS1：192.168.0.130，部署Apache服务

  • RS2：192.168.0.131，部署Apache服务

• VIP：192.168.0.20，对外统一访问入口

• LVS模式：DR（直接路由）模式，转发效率最高，适用于Web服务场景

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  Web服务器层（Real Server）

  LVS主备集群层（DR直接路由模式）

  VIP虚拟IP入口层

  客户端访问层

  Keepalived VRRP心跳1秒检测/故障感知

  1.发起HTTP请求

  2.正常映射至主节点

  3.DR模式转发（轮询）

  3.DR模式转发（轮询）

  2.主节点故障：VIP漂移

  3.DR模式转发（轮询）

  3.DR模式转发（轮询）

  4.DR模式：响应直接返回

  4.DR模式：响应直接返回

  用户/客户端访问VIP: 192.168.0.20

  VIP 192.168.0.20Web服务统一访问入口Keepalived管理漂移

  LVS Master（DR1）IP：192.168.0.128部署：Keepalived+LVS角色：主节点

  LVS Backup（DR2）IP：192.168.0.129部署：Keepalived+LVS角色：备节点

  Web节点 RS1IP：192.168.0.130部署：Apache服务权重：1

  Web节点 RS2IP：192.168.0.131部署：Apache服务权重：1

4.2 部署步骤

4.2.1 负载均衡器配置（Master与Backup）

负载均衡器需安装Keepalived（高可用）和IPVSADM（LVS管理工具），通过Keepalived配置LVS规则，实现规则自动同步。

master和backup上启动服务

# 设置开机自启
systemctl enable keepalived

# 启动服务
systemctl start keepalived

# 重启系统（可选，建议执行）
reboot

4.2.2 Web服务器配置（RS1与RS2均执行）

LVS-DR模式要求后端Web节点配置VIP（绑定到回环网卡），并抑制ARP广播，避免地址冲突，同时部署Apache服务提供Web内容。

4.3 集群测试

集群部署完成后，从负载均衡、高可用、故障容错三个维度进行测试，验证整体功能。