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高可用架构：Keepalived、Nginx与Docker深度解析

news 来源：原创 2025/9/18 22:17:19

本文深入解析了Keepalived技术，阐述其基于VRRP协议实现高可用的核心功能，包括虚拟路由器冗余、健康检查、负载均衡集成及脚本执行与通知。同时，设计了Nginx高可用方案，涵盖双机主从、主主及多点集群模式，分析其优缺点。最后通过Docker环境实践，展示了高可用Nginx服务的部署与验证过程，为构建稳定网络服务架构提供参考。

一、Keepalived 技术解析

1.1 Keepalived 核心功能

Keepalived 是一个基于 VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）的开源软件，最初是为LVS（Linux Virtual Server）设计的，用于实现高可用功能。随着发展，它的应用范围不断扩大。其核心功能主要有以下几方面：

1.1.1. VRRP协议实现

虚拟路由器冗余：Keepalived利用VRRP协议创建虚拟路由器。多个物理服务器可组成一个虚拟路由器组，拥有一个共同的虚拟IP地址（VIP）。在这个组里，会选举出一个主路由器（Master），其余的作为备份路由器（Backup）。主路由器负责接收发往VIP的流量，备份路由器则在主路由器出现故障时接管其职责。
主备切换机制：主备路由器通过VRRP报文进行通信，主路由器会周期性地发送通告消息。当备份路由器在一定时间内未收到主路由器的通告消息，就会认为主路由器出现故障，然后根据优先级选举出新的主路由器，并将VIP转移到新的主路由器上，从而确保服务的持续可用。

1.1.2. 健康检查

多种检查方式：Keepalived支持多种健康检查方法，涵盖了对服务器基础网络连通性、服务端口状态以及自定义脚本执行结果的检查。可以通过ICMP（Internet Control Message Protocol）检测服务器的网络连通性；使用TCP连接检查特定服务端口是否开放；还能执行自定义的脚本检查应用程序的运行状态。
故障处理：如果在健康检查过程中发现某个服务器出现故障，Keepalived会将其标记为不可用，并根据配置采取相应的措施，如将其从负载均衡器的后端服务器列表中移除，或者触发主备切换操作。

1.1.3. 负载均衡集成

与LVS集成：Keepalived最初的设计目的就是与LVS配合使用，实现负载均衡器的高可用性。Keepalived负责监控LVS负载均衡器的状态，当主负载均衡器出现故障时，会自动将VIP切换到备份负载均衡器上，确保流量能够继续被正确分发到后端服务器。
负载均衡策略辅助：虽然Keepalived本身不直接实现负载均衡算法，但它可以辅助调整负载均衡器的配置。例如，根据健康检查的结果，动态地调整后端服务器在负载均衡器中的权重，使得性能更好、状态更稳定的服务器能够承担更多的流量。

1.1.4. 脚本执行与通知

自定义脚本执行：Keepalived允许用户配置在特定事件发生时执行自定义脚本。比如，在主备切换前后执行脚本，用于清理缓存、重新配置服务或者发送通知等操作。
事件通知：当Keepalived检测到故障、进行主备切换等事件发生时，可以通过配置发送通知，如发送邮件、短信或者调用API接口，及时告知管理员系统的状态变化。

1.2 VRRP 协议工作原理

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）协议的工作原理是在多个路由器之间建立一个虚拟路由器，通过选举机制确定主路由器和备份路由器，以实现网络的冗余和高可用性。以下是其详细工作原理：

1.2.1. 虚拟路由器和虚拟IP地址

一组路由器（至少两个）共同组成一个虚拟路由器，这个虚拟路由器有一个唯一的虚拟IP地址和虚拟MAC地址。虚拟IP地址是用户设备默认网关的地址，用户设备将数据包发送到这个虚拟IP地址，而虚拟MAC地址则用于在局域网中标识虚拟路由器。虚拟路由器通过虚拟IP地址对外提供服务，用户设备将数据包发送到虚拟IP地址，由虚拟路由器进行转发。

1.2.2. 选举机制

优先级设定：每个参与VRRP的路由器都有一个优先级，范围是0到255。优先级越高，成为主路由器的可能性越大。可以通过配置来设置路由器的优先级，通常情况下，性能较好或更可靠的路由器会被设置为较高的优先级。
选举过程：在初始化阶段，所有路由器都会发送VRRP通告消息，其中包含自己的优先级等信息。通过比较优先级，优先级最高的路由器将被选举为主路由器，其他路由器则成为备份路由器。如果多个路由器的优先级相同，则IP地址较大的路由器将成为主路由器。

1.2.3. 主备路由器职责

主路由器：主路由器的主要职责是处理发往虚拟IP地址的数据包，将这些数据包转发到相应的目标网络。同时，主路由器会定期发送VRRP通告消息，告知备份路由器自己的运行状态。
备份路由器：监听主路由器发送的VRRP通告消息，以了解主路由器的状态。在主路由器正常工作时，备份路由器处于待命状态，不处理发往虚拟IP地址的数据包。当备份路由器在一定时间内没有收到主路由器的通告消息时，就会认为主路由器出现故障，进而启动选举过程，重新选举主路由器。

1.2.4. 抢占与非抢占模式

抢占模式：当一个优先级更高的路由器加入到VRRP组中时，它会立即向其他路由器发送VRRP通告消息，声明自己的优先级更高，从而抢占主路由器的角色。这种模式可以确保高优先级的路由器能够及时成为主路由器，提供更好的服务。
非抢占模式：在非抢占模式下，即使有优先级更高的路由器加入，只要当前主路由器正常工作，新加入的路由器就不会抢占主路由器的角色。只有当主路由器出现故障，导致备份路由器重新选举时，优先级更高的路由器才有可能成为主路由器。

1.2.5. 定时器设置

通告间隔定时器：主路由器按照一定的时间间隔发送VRRP通告消息，这个时间间隔通常可以配置，默认值是1秒。通过调整通告间隔，可以在网络稳定性和故障检测速度之间进行权衡。较短的通告间隔可以更快地检测到主路由器故障，但会增加网络带宽占用；较长的通告间隔则可以减少网络带宽占用，但可能会导致故障检测时间延长。
失效定时器：备份路由器在等待主路由器通告消息时，会启动一个失效定时器。如果在失效定时器超时之前没有收到主路由器的通告消息，备份路由器就会认为主路由器出现故障，从而触发选举过程。失效定时器的时长通常是通告间隔的倍数，默认情况下是通告间隔的3倍。

通过以上工作原理，VRRP协议能够确保在网络中的路由器出现故障时，能够快速地进行主备切换，保证网络的连续性和稳定性，为用户提供可靠的网络连接。

二、Nginx 高可用方案设计

2.1 双机`主从`模式

模式介绍：在双机主从模式中，有两台服务器，一台作为主服务器（Master），负责处理所有的业务请求，另一台作为从服务器（Slave），实时同步主服务器的数据。当主服务器出现故障时，从服务器会自动接管主服务器的工作，保证业务的连续性。
优点
- 数据一致性高：从服务器实时同步主服务器的数据（基于异步同步时可能存在毫秒级延迟），能保证数据的一致性和完整性。
- 实现简单：架构相对简单，易于理解和部署，对硬件要求不高，成本较低。
- 故障转移快：当主服务器出现故障时，从服务器能快速接管，业务中断时间较短。
缺点
- 资源利用率低：从服务器在正常情况下处于待命状态，只有主服务器处理业务，资源未得到充分利用。
- 主服务器压力大：所有业务请求都由主服务器处理，可能会成为性能瓶颈。
- 单点故障风险：虽然有从服务器，但如果主服务器的故障导致数据丢失，可能会影响业务。

2.2 双机`主主`模式

模式介绍：双机主主模式中，两台服务器都是主服务器，都可以处理业务请求。它们之间相互监控，实时同步数据。当一台服务器出现故障时，另一台服务器会承担起所有的业务处理工作。
优点
- 资源利用率高：两台服务器都能处理业务，提高了硬件资源的利用率。
- 性能较好：业务请求可以分担到两台服务器上，提升了系统的整体性能和处理能力。
- 可靠性高：两台服务器互为备份，任何一台出现故障，另一台都能继续提供服务，减少了单点故障的风险。
缺点
- 数据同步复杂：两台服务器都要进行数据的写入和同步，数据同步机制相对复杂，可能会出现数据冲突，需要更复杂的处理来保证数据一致性。
- 成本较高：需要两台性能较好的服务器，硬件成本较高。
- 管理难度大：涉及到两台服务器的配置和协调，管理难度相对较大。

2.3 多点`集群`模式

模式介绍：多点集群模式是由多个节点（服务器）组成的集群系统，这些节点通过网络相互连接，共同处理业务请求。集群中有一个或多个管理节点，负责监控和管理整个集群的运行状态，其他节点作为工作节点，分担业务处理任务。当某个节点出现故障时，管理节点会自动将其任务分配到其他正常节点上，实现负载均衡和高可用性。
优点
- 高可扩展性：可以根据业务需求方便地添加节点，扩展系统的处理能力和存储能力。例如，当业务量增加时，可以简单地添加更多的工作节点，管理节点会自动将其加入到集群中，实现负载均衡和高可用性。
- 高可用性：多个节点相互备份，即使多个节点出现故障，只要还有部分节点正常工作，系统就能继续运行，可靠性极高。
- 负载均衡：能够将业务请求均匀地分配到各个节点上，避免单点出现过载，提高系统整体性能。
缺点
- 架构复杂：需要复杂的网络配置和管理，由于涉及到多个节点的协调和通信，因此部署和维护难度较大。
- 成本较高：需要多个服务器以及相应的网络设备，软件授权等成本也较高。
- 数据一致性挑战大：因为多个节点同时处理数据，每个节点都有可能对数据进行修改，这就需要采用分布式事务等复杂技术来解决数据一致性问题。

三、Docker 环境实践

3.1 实验环境准备

安装docker环境
下载实战例子：https://gitee.com/bonaparte/nginx_keepalive.git

3.2 主从模式部署

构建相关镜像并启动容器命令如下：

# 执行如下命令构建相关镜像
docker-compose -f ./docker-compose.yml up --build
# 后台启动容器
docker-compose -f ./docker-compose.yml up -d

3.3 高可用验证测试

主节点URL访问测试

# 主节点暴露端口为 7500
curl http://localhost:7500/

从节点URL访问测试

# 从节点暴露端口为 7501
curl http://localhost:7501/

高可用URL访问测试

# 虚拟IP（VIP）暴露端口为 7502
curl http://localhost:7502/

该命令用于模拟主节点故障，暂停主节点容器。

# 模拟主节点故障
docker pause   nginx_keepalive-nginx_master-1
# 查看高可用URL访问测试结果
curl http://localhost:7502/
# 查看主节点URL访问测试结果
curl http://localhost:7500

该命令用于模拟主节点故障恢复，恢复主节点容器的运行。

# 模拟主节点故障恢复
docker unpause nginx_keepalive-nginx_master-1
# 查看高可用URL访问测试结果
curl http://localhost:7502/
# 查看主节点URL访问测试结果
curl http://localhost:7500