vrrp协议与keepalived浅析

1、VRRP 协议简介

vrrp: Virtual Redundent Routing Protocol 虚拟冗余路由协议

​ 在现实的网络环境中两台需要通信的主机大多数情况下并没有直接的物理连接。对于这样的情况它们之间路由怎样选择主机如何选定到达目的主机的下一跳路由，这个问题通常的解决方法有二种：

• 在主机上使用动态路由协议(RIP、OSPF等)
• 在主机上配置静态路由

​ 很明显在主机上配置动态路由是非常不切实际的，因为管理、维护成本以及是否支持等诸多问题。配置静态路由就变得十分流行。但路由器|默认网关|default gateway却经常成为单点故障。

​ VRRP协议的目的就是为了解决静态路由单点故障问题；VRRP通过竞选(election)协议来动态的将路由任务交给LAN中虚拟路由器中的某台VRRP路由器。

2、相关术语

**虚拟路由器：**由一个 Master 路由器和多个 Backup 路由器组成。主机将虚拟路由器当作默认网关。

**VRID：**虚拟路由器的标识，有相同 VRID 的一组路由器构成一个虚拟路由器。通常用（0-255）标识

**Master路由器：**虚拟路由器中承担报文转发任务的路由器。

Backup路由器： Master路由器出现故障时能够代替 Master路由器工作的路由器。

**虚拟 IP：**地址虚拟路由器的 IP 地址，一个虚拟路由器可以拥有一个或多个IP 地址。

**IP 地址拥有者：**接口IP地址与虚拟IP地址相同的路由器被称为 IP 地址拥有者。

**虚拟 MAC 地址：**一个虚拟路由器拥有一个虚拟 MAC 地址。虚拟 MAC 地址的格式为 00-00-5E-00-01-{VRID}。通常情况下虚拟路由器回应 ARP 请求

使用的是虚拟 MAC 地址只有虚拟路由器做特殊配置的时候才回应接口的真实 MAC 地址。

**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。用0-255来表示，数字越小优先级越低。VRRP优先级的取值范围为0到255（数值越大表明优先级越高），可配置的范围是1到254，优先级0为系统保留给路由器放弃Master位置时候使用，255则是系统保留给IP地址拥有者使用。当路由器为IP地址拥有者时，其优先级始终为255。因此，当虚拟路由器内存在IP地址拥有者时，只要其工作正常，则为Master路由器。

**抢占方式：**默认，如果 Backup 路由器工作在抢占方式下，当它收到 VRRP 报文后会将自己的优先级与通告报文中的优先级进行比较。如果自己的优先级比当前的 Master 路由器的优先级高就会主动抢占成为 Master 路由器否则将保持 Backup 状态。

**非抢占方式：**如果 Backup 路由器工作在非抢占方式下则只要 Master 路由器没有出现故障Backup 路由器即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master 路由器。

3、VRRP 工作机制

在一个VRRP虚拟路由器中有多台物理的VRRP路由器，但是这多台的物理的机器并不能同时工作，而是由一台称为MASTER的负责路由工作，其它的都是BACKUP。MASTER并非一成不变，VRRP让每个VRRP路由器参与竞选，最终获胜的就是MASTER。MASTER拥有虚拟路由器的IP地址，我们的主机就是用这个IP地址。作为静态路由的MASTER要负责转发发送给网关地址的包和响应ARP请求。

VRRP通过竞选协议来实现虚拟路由器的功能，所有的协议报文都是通过IP多播(multicast)包形式发送的。虚拟路由器由VRID(范围0-255)和一组IP地址组成，对外表现为一个周知的MAC地址。所以在一个虚拟路由器中不管谁是MASTER，对外都是相同的MAC和IP(称之为VIP)。客户端主机并不需要因为MASTER的改变而修改自己的路由配置，对客户端来说这种主从的切换是透明的。

在一个虚拟路由器中只有作为MASTER的VRRP路由器会一直发送VRRP通告信息(VRRPAdvertisement message)，BACKUP不会抢占MASTER除非它的优先级(priority)更高。当MASTER不可用时(BACKUP收不到通告信息) ，多台BACKUP中优先级最高的这台会抢占为MASTER。这种抢占是非常快速的(<1s)以保证服务的连续性。由于安全性考虑，VRRP包使用了加密协议进行加密。

4、VRRP 工作流程

(1).初始化 （还没选举出master时）

路由器启动时如果路由器的优先级是255(最高优先级路由器拥有路由器地址)要发送VRRP通告信息并发送广播ARP信息通告路由器IP地址对应的MAC地址为路由虚拟MAC，设置通告信息定时器，准备定时发送VRRP通告信息，转为MASTER状态，否则进入BACKUP状态设置定时器检查定时检查是否收到MASTER的通告信息。

(2).Master

• 设置定时通告定时器
• 用VRRP虚拟MAC地址响应路由器IP地址的ARP请求
• 转发目的MAC是VRRP虚拟MAC的数据包
• 如果是虚拟路由器IP的拥有者将接受目的地址是虚拟路由器IP的数据包否则丢弃
• 当收到shutdown的事件时，删除定时通告定时器发送优先权级为0的通告包转初始化状态
• 如果定时通告定时器超时时发送VRRP通告信息
• 收到VRRP通告信息时如果优先权为0发送VRRP通告信息否则判断数据的优先级是否高于本机或相等而且实际IP地址大于本地实际IP设置定时通告定时器复位主机超时定时器转BACKUP状态否则的话丢弃该通告包

(3).Backup

• 设置主机超时定时器
• 不能响应针对虚拟路由器IP的ARP请求信息
• 丢弃所有目的MAC地址是虚拟路由器MAC地址的数据包
• 不接受目的是虚拟路由器IP的所有数据包
• 当收到shutdown的事件时删除主机超时定时器转初始化状态
• 主机超时定时器超时的时候发送VRRP通告信息广播ARP地址信息转MASTER状态
• 收到VRRP通告信息时如果优先权为0表示进入MASTER选举，否则判断数据的优先级是否高于本机如果高的话承认MASTER有效，复位主机超时定时器否则的话丢弃该通告包

（4）ARP查询处理

​ 当内部主机通过ARP查询虚拟路由器IP地址对应的MAC地址时，MASTER路由器回复的MAC地址为虚拟的VRRP的MAC地址而不是实际网卡的，MAC地址这样在路由器切换时让内网机器觉察不到而在路由器重新启动时不能主动发送本机网卡的实际MAC地址。如果虚拟路由器开启的ARP代理 (proxy_arp)功能代理的ARP回应也回应VRRP虚拟MAC地址。

5、结论

​ VRRP实现了对路由器IP地址的冗余功能防止了单点故障造成的网络失效，VRRP本身是热备形式的但可以通过互相主备实现路由器的负载均衡处理。

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二、Keepalived

1、Keepalived 定义

什么是Keepalived呢?

​ 观其名可知保持存活在网络里面就是保持在线了也就是所谓的高可用或热备用来防止单点故障(单点故障是指一旦某一点出现故障就会导致整个系统架构的不可用)

在Linux主机上以daemon守护进程方式实现了vrrp协议并提供了完成配置ipvs规则及实现相应real server状态检测能力。

能调用外部脚本，激活简单的外部应用程序

轻量、灵活但不能解决脑裂问题，

适用场景：ipvs, haproxy, nginx(reverse proxy 反向代理)等反向代理或负载均衡器的高可用

2、keepalived的工作原理

​ Keepalived是一个基于VRRP协议来实现的LVS服务高可用方案可以利用其来避免单点故障。

​ 一个LVS服务会有2台服务器运行Keepalived一台为主服务器MASTER一台为备份服务器BACKUP但是对外表现为一个虚拟IP；主服务器会发送特定的消息给备份服务器，当备份服务器收不到这个消息的时候即主服务器宕机的时候，备份服务器就会接管虚拟IP继续提供服务从而保证了高可用性；Keepalived是VRRP的完美实现。

3、Keepalived组件

keepalived是模块化设计，不同模块负责不同的功能：

**core：**keepalived的核心；负责主进程的启动和维护全局配置文件的加载解析等

**check：**负责healthchecker(健康检查)包括了各种健康检查方式以及对应的配置文件的解析

vrrp VRRPD：子进程用来实现VRRP协议

libipfwc iptables(ipchains)库配置LVS

**libipvs*：**配置LVS

components:组件

3、keepalived进程

keepalived启动后会有三个进程

父进程内存管理子进程管理等等

子进程VRRP子进程

子进程healthchecker子进程

两个子进程都被系统WatchDog看管两个子进程各自负责自己的事

healthchecker子进程负责检查各自服务器的健康程度如果healthchecker子进程检查到MASTER上服务不可用了就会通知本机上的兄弟VRRP子进程让他删除通告并且去掉虚拟IP转换为BACKUP状态。