LVS+Keepalived 高可用集群实战精讲从原理到上线全流程

前言

在企业级服务器架构中，单点故障是制约系统稳定性的核心痛点。LVS（Linux Virtual Server）作为内核级四层负载均衡工具，凭借高性能成为高并发场景的首选；但 LVS 本身存在调度器单点故障问题，而 Keepalived 基于 VRRP 协议的双机热备机制，完美解决了这一缺陷。本文将以 OpenEuler 系统为基础，结合图片中的核心知识点，从原理剖析、环境规划、详细配置到故障测试，全面讲解 LVS+Keepalived 高可用集群的搭建过程，助力运维人员掌握企业级高可用架构实战技能。

一、LVS+Keepalived 核心理论基础

1.1 LVS 负载均衡技术深度解析

LVS 由章文嵩博士开发，是 Linux 内核原生集成的负载均衡解决方案，工作在内核态，转发性能远超 Nginx、HAProxy 等用户态工具，支持百万级并发请求处理，是大型电商、金融、政务平台的核心负载均衡组件。

1.1.1 LVS 核心架构

LVS 架构包含三层核心节点：

负载调度器（Director） ：集群入口，负责接收客户端请求并根据调度算法分发至后端真实服务器，核心依赖ip_vs内核模块。
真实服务器（Real Server, RS）：后端业务节点，部署具体业务服务（如 Web、数据库），处理实际业务逻辑并返回结果。
客户端（Client）：发起请求的终端设备，仅需访问调度器的虚拟服务地址，无需感知后端 RS 节点。

1.1.2 LVS 三种工作模式

LVS 支持三种 IP 负载均衡模式，不同模式适配不同业务场景：

NAT 模式（网络地址转换）
- 原理：调度器修改请求报文的目标 IP 为 RS 的 IP，响应报文经调度器转发至客户端，调度器同时转换源 IP。
- 特点：RS 可使用任意操作系统，调度器承担双向流量，性能瓶颈明显，仅适合小规模集群。
TUN 模式（IP 隧道）
- 原理：调度器通过 IP 隧道封装请求报文，发送至 RS，RS 解包后直接响应客户端（无需经调度器）。
- 特点：RS 可跨地域部署，支持大规模集群，但隧道封装增加网络开销。
DR 模式（直接路由）
- 原理：调度器仅修改请求报文的目标 MAC 地址为 RS 的 MAC，IP 地址保持不变；RS 通过本地回环接口绑定 VIP，直接响应客户端。
- 特点：性能最优（仅处理请求流量），支持超大规模集群，是企业主流选择，本文重点讲解 DR 模式。

1.1.3 LVS 核心调度算法

LVS 内置 10 种调度算法，核心分为三类，适配不同业务负载特征：

轮询类：rr（轮询）、wrr（加权轮询）------ 均衡分配请求，适合 RS 性能一致的场景。
最小连接类：lc（最小连接）、wlc（加权最小连接）------ 优先分配请求至连接数最少的 RS，适合 RS 性能不均的场景。
哈希类：dh（目标 IP 哈希）、sh（源 IP 哈希）------ 基于 IP 哈希实现会话绑定，适合有状态业务。

1.2 Keepalived 高可用核心原理

Keepalived 是专为 LVS 设计的高可用工具，核心基于 **VRRP（虚拟路由冗余协议）** 实现双机热备，同时集成健康检查功能，保障集群节点可用性。

1.2.1 VRRP 协议工作机制

VRRP 协议将多台物理服务器虚拟为一个虚拟路由器，共享一个虚拟 IP（VIP），对外提供统一服务入口，核心逻辑如下：

角色划分：节点分为 MASTER（主节点）和 BACKUP（备节点），MASTER 持有 VIP 并处理业务，BACKUP 监听 MASTER 状态。
优先级选举：通过优先级（1-255）决定主备归属，优先级越高越易成为 MASTER，默认优先级 100。
心跳检测：MASTER 每秒发送 VRRP 通告报文（组播地址 224.0.0.18，端口 112），BACKUP 未在 3 倍通告间隔内收到报文时，判定 MASTER 故障，自动接管 VIP（IP 漂移）。
状态切换：切换过程对客户端透明，仅需修改 ARP 映射，无需修改客户端路由配置。

1.2.2 Keepalived 核心组件

Keepalived 通过三大组件协同工作，实现高可用与负载均衡一体化：

VRRP 协议栈：核心组件，负责主备选举、心跳通信、VIP 漂移，是 IP 冗余的基础。
健康检查模块（Checkers）：实时检测 LVS 调度器和后端 RS 的可用性，支持 TCP 端口检测、HTTP 接口检测、脚本自定义检测，服务故障时自动剔除异常节点。
IPVS 封装模块 ：直接管理 LVS 的ip_vs规则，无需手动执行ipvsadm命令，实现负载均衡规则与高可用配置统一管理。

1.3 LVS+Keepalived 集群核心价值

消除调度器单点故障：双机热备机制确保 MASTER 故障时，BACKUP 秒级接管 VIP，业务无感知恢复。
智能节点健康检测：自动剔除故障 RS，避免请求转发至异常节点，提升业务可用性。
高性能负载均衡：LVS 内核态转发 + Keepalived 轻量级检测，兼顾性能与高可用，适配高并发场景。
零成本扩展：支持横向扩展 RS 节点，无需修改核心架构，满足业务增长需求。

二、环境规划与前置准备

2.1 集群架构设计

本文采用LVS-DR 模式 + Keepalived 双机热备架构，包含 2 台 LVS 调度器、2 台后端 RS 节点，架构图如下（结合图片核心拓扑）：

复制代码

┌─────────────────┐      ┌─────────────────┐
│  客户端（Client）│      │  交换机（Switch）│
└────────┬────────┘      └────────┬────────┘
         │                        │
         ▼                        ▼
┌─────────────────┐      ┌─────────────────┐
│  VIP：192.168.1.100 │      │ LVS-MASTER（主）│
│  对外服务入口     │      │ IP：192.168.1.10│
└────────┬────────┘      │ Keepalived+LVS │
         │               └────────┬────────┘
         │                        │
         │               ┌─────────────────┐
         │               │ LVS-BACKUP（备）│
         │               │ IP：192.168.1.11│
         └───────────────▶│ Keepalived+LVS │
                         └────────┬────────┘
                                  │
         ┌─────────────────┐      │      ┌─────────────────┐
         │  Web-Node1      │◀─────┴─────▶│  Web-Node2      │
         │ IP：192.168.1.12│             │ IP：192.168.1.13│
         │ 部署Nginx       │             │ 部署Nginx       │
         └─────────────────┘             └─────────────────┘

2.2 服务器 IP 规划

表格

节点角色	IP 地址	系统版本	核心软件	备注
LVS-MASTER	192.168.1.10	OpenEuler 24.03	keepalived、ipvsadm	主调度器，持有 VIP
LVS-BACKUP	192.168.1.11	OpenEuler 24.03	keepalived、ipvsadm	备调度器，备用 VIP
Web-Node1	192.168.1.12	OpenEuler 24.03	nginx	后端真实服务器 1
Web-Node2	192.168.1.13	OpenEuler 24.03	nginx	后端真实服务器 2
虚拟 IP（VIP）	192.168.1.100	-	-	对外统一服务入口

2.3 前置环境配置（所有节点）

2.3.1 系统基础优化

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# 1. 关闭防火墙（生产环境需开放对应端口，测试环境建议关闭）
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld

# 2. 关闭SELinux
setenforce 0
sed -i 's/^SELINUX=enforcing/SELINUX=disabled/' /etc/selinux/config

# 3. 配置主机名（便于区分）
hostnamectl set-hostname LVS-MASTER # 主调度器
# 备调度器执行：hostnamectl set-hostname LVS-BACKUP
# Web节点执行：hostnamectl set-hostname Web-Node1/Web-Node2

# 4. 配置hosts解析
cat >> /etc/hosts << EOF
192.168.1.10 LVS-MASTER
192.168.1.11 LVS-BACKUP
192.168.1.12 Web-Node1
192.168.1.13 Web-Node2
EOF

# 5. 重启系统生效（可选）
reboot

2.3.2 内核参数优化（DR 模式必备）

DR 模式下，RS 节点需配置 ARP 参数，避免 ARP 广播冲突，核心参数如下：

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# 编辑内核参数配置文件
cat > /etc/sysctl.d/99-lvs-arp.conf << EOF
# 回环接口仅响应目标IP为本地IP的ARP请求
net.ipv4.conf.lo.arp_ignore = 1
# 回环接口不使用源IP发送ARP请求，优先使用发送接口IP
net.ipv4.conf.lo.arp_announce = 2
# 所有接口统一ARP配置
net.ipv4.conf.all.arp_ignore = 1
net.ipv4.conf.all.arp_announce = 2
# 允许绑定非本地IP（VIP漂移必备）
net.ipv4.ip_nonlocal_bind = 1
EOF

# 生效内核参数
sysctl -p /etc/sysctl.d/99-lvs-arp.conf

三、后端真实服务器（RS）配置

3.1 Nginx 安装与配置

3.1.1 安装 Nginx

以 OpenEuler 系统为例，安装 Nginx 并配置开机自启：

复制代码

# 1. 安装Nginx依赖
yum install -y nginx

# 2. 启动Nginx并设置开机自启
systemctl start nginx
systemctl enable nginx

# 3. 验证Nginx状态
systemctl status nginx
curl http://127.0.0.1 # 测试是否正常启动

3.1.2 定制 Web 页面（区分节点）

为两台 RS 节点配置不同的首页内容，便于测试负载均衡效果：

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# Web-Node1执行
echo "Web-Node1 - IP: 192.168.1.12" > /usr/share/nginx/html/index.html

# Web-Node2执行
echo "Web-Node2 - IP: 192.168.1.13" > /usr/share/nginx/html/index.html

3.2 RS 节点 VIP 配置（DR 模式核心）

DR 模式下，RS 节点需在回环接口（lo:0）绑定 VIP，仅用于响应客户端请求，不监听客户端连接，配置如下：

复制代码

# 1. 创建回环接口配置文件
cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-lo:0 << EOF
DEVICE=lo:0
IPADDR=192.168.1.100
NETMASK=255.255.255.255
ONBOOT=yes
EOF

# 2. 启动回环接口
ifup lo:0

# 3. 验证VIP绑定
ifconfig lo:0 # 查看是否显示192.168.1.100

# 4. 配置路由（禁锢VIP，避免冲突）
route add -host 192.168.1.100 dev lo:0

# 5. 开机自动生效（写入rc.local）
echo "/sbin/route add -host 192.168.1.100 dev lo:0" >> /etc/rc.local
chmod +x /etc/rc.local

四、LVS 调度器配置（主备节点）

4.1 核心软件安装（主备节点通用）

LVS 调度器需安装ipvsadm（LVS 管理工具）和keepalived（高可用工具），OpenEuler 系统直接通过 yum 安装：

复制代码

# 1. 安装核心软件
yum install -y ipvsadm keepalived

# 2. 加载ip_vs内核模块（LVS核心依赖）
modprobe ip_vs

# 3. 验证内核模块加载
lsmod | grep ip_vs # 显示ip_vs则加载成功

# 4. 设置开机自动加载内核模块
echo "modprobe ip_vs" >> /etc/rc.local
chmod +x /etc/rc.local

# 5. 启动Keepalived服务（主备节点均需启动）
systemctl enable keepalived
systemctl start keepalived

4.2 Keepalived 主节点（LVS-MASTER）配置

Keepalived 核心配置文件为/etc/keepalived/keepalived.conf，主节点配置需指定 MASTER 角色、VIP、LVS 负载均衡规则及健康检查脚本。

4.2.1 主节点完整配置文件

复制代码

# 备份默认配置文件
cp /etc/keepalived/keepalived.conf /etc/keepalived/keepalived.conf.bak

# 编辑主配置文件
cat > /etc/keepalived/keepalived.conf << EOF
! Configuration File for keepalived

# 全局配置
global_defs {
    # 节点唯一标识，主备节点需不同
    router_id LVS_MASTER
    # 跳过相同主节点的VRRP通告地址检查（提升效率）
    vrrp_skip_check_adv_addr
    # 严格遵循VRRP协议
    vrrp_strict
    # VRRP进程优先级
    vrrp_priority 10
    # 健康检查进程优先级
    checker_priority 10
}

# 定义健康检查脚本（检测后端RS可用性）
vrrp_script check_real_server {
    # 脚本路径：检测80端口是否存活，失败则降低优先级
    script "kill -0 1 && nc -z 127.0.0.1 80 || exit 1"
    # 检查间隔：1秒
    interval 1
    # 超时时间：3秒
    timeout 3
    # 失败后优先级降低20
    weight -20
    # 连续2次成功判定正常
    rise 2
    # 连续3次失败判定故障
    fall 3
}

# VRRP实例配置（主备节点需一致）
vrrp_instance VI_1 {
    # 角色：主节点
    state MASTER
    # 承载VIP的网卡（根据实际环境修改，如eth0、ens33）
    interface eth0
    # 虚拟路由ID，主备必须一致
    virtual_router_id 51
    # 优先级：主节点高于备节点
    priority 120
    # 心跳通告间隔：1秒
    advert_int 1
    # 认证配置
    authentication {
        # 认证类型：密码认证
        auth_type PASS
        # 认证密码：主备必须一致
        auth_pass 123456
    }
    # 虚拟IP（VIP）：主备节点一致
    virtual_ipaddress {
        192.168.1.100/24 dev eth0
    }
    # 关联健康检查脚本
    track_script {
        check_real_server
    }
    # 抢占延迟：主节点恢复后，60秒后再抢占VIP（避免频繁切换）
    preempt_delay 60
}

# LVS虚拟服务器配置（DR模式）
virtual_server 192.168.1.100 80 {
    # 延迟循环：1秒
    delay_loop 2
    # 负载均衡算法：加权轮询
    lb_algo wrr
    # 转发模式：DR模式
    lb_kind DR
    # 持久化超时时间：0（关闭会话保持）
    persistence_timeout 0
    # 协议：TCP
    protocol TCP

    # 后端真实服务器1（Web-Node1）
    real_server 192.168.1.12 80 {

LVS+Keepalived 高可用集群实战精讲从原理到上线全流程

前言

一、LVS+Keepalived 核心理论基础

1.1 LVS 负载均衡技术深度解析

1.1.1 LVS 核心架构

1.1.2 LVS 三种工作模式

1.1.3 LVS 核心调度算法

1.2 Keepalived 高可用核心原理

1.2.1 VRRP 协议工作机制

1.2.2 Keepalived 核心组件

1.3 LVS+Keepalived 集群核心价值

二、环境规划与前置准备

2.1 集群架构设计

2.2 服务器 IP 规划

2.3 前置环境配置（所有节点）

2.3.1 系统基础优化

2.3.2 内核参数优化（DR 模式必备）

三、 后端真实服务器（RS）配置

3.1 Nginx 安装与配置

3.1.1 安装 Nginx

3.1.2 定制 Web 页面（区分节点）

3.2 RS 节点 VIP 配置（DR 模式核心）

四、LVS 调度器配置（主备节点）

4.1 核心软件安装（主备节点通用）

4.2 Keepalived 主节点（LVS-MASTER）配置

4.2.1 主节点完整配置文件

三、后端真实服务器（RS）配置