一文讀懂keepalive的工作原理

作者：程序員柒叔 2022-05-12 10:53:42

網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)

Vrrp（Virtual Router Redundancy Protocol），虛擬路由冗余協(xié)議，一種為了避免路由器單點(diǎn)故障的容錯協(xié)議。

keepalive是基于vrrp協(xié)議實現(xiàn)接入層高可用組件，避免系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。

工作原理

要想理解keepalive的原理，就需要理解vrrp協(xié)議的工作原理。

概念解釋：
Vrrp(Virtual Router Redundancy Protocol)，虛擬路由冗余協(xié)議，一種為了避免路由器單點(diǎn)故障的容錯協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖：

工作原理

多個路由器組成一個路由器組，即虛擬路由器。如圖RouterA和RouterB組成一個虛擬路由器。
虛擬路由器使用虛擬IP與外網(wǎng)交互(如圖中VIP)，虛擬MAC與內(nèi)網(wǎng)交互(如圖中VMAC)。
獲得VIP的路由器為主路由器(Master狀態(tài))，其他路由器為備份路由器(Backup狀態(tài))。
主路由器每隔 advertisement_intervl 秒(對應(yīng)圖中配置項 advert_int)，向組內(nèi)其他路由器發(fā)送通告消息(即心跳)，告知本路由器的優(yōu)先級等信息。
組播的方式發(fā)送，組播地址224.0.0.18。
只有主路由器會響應(yīng)ARP請求，組內(nèi)其他路由器會丟棄ARP請求。
只有主路由器會響應(yīng)對虛擬IP請求，組內(nèi)其他路由器會丟棄對虛擬IP的請求。

主備切換

虛擬路由器中的Master可以切換(即VIP切換到備份路由器上)，切換方式分為3種：

Master路由器退出該路由器組

Master路由器在vrrp消息中將本路由器的優(yōu)先級設(shè)置為0，表示原Master設(shè)備聲明不參與該VRRP組了。
Backup路由器接收到這個消息后，會等待 skew_time(偏移時間，= (256-backup_priority)/256)，切換為Master狀態(tài)。

Master路由器降低自身優(yōu)先級

Master路由器在vrrp消息中將本路由器的優(yōu)先級降低，小于Backup路由器優(yōu)先級(但不為0)。
這時Backup路由器會丟棄該消息;如果是搶占模式，會立即切換為Master狀態(tài);如果是非搶占模式，仍保持Backup狀態(tài)。

Backup超時未收到vrrp消息

Backup路由器在超過一定時間(Master_down_interval=3*advert_int + skew_time)未收到Master的vrrp消息時，會切換為Master。

常見問題

當(dāng) Router A 和 Router B 無法正常通信時，可能存在2個Master路由器，即“腦裂”。

解決方案：

核查A和B之間的網(wǎng)絡(luò)，關(guān)閉防火墻或者配置好ip，Router之間保證網(wǎng)絡(luò)通暢。
使用2條線路連接2個路由器，一條壞了時，另一條備用。
主節(jié)點(diǎn)編寫腳本測試網(wǎng)絡(luò)情況;如果網(wǎng)絡(luò)不通，則關(guān)閉keepalived進(jìn)程。
Master路由器宕機(jī)后，立即告警，人為介入處理。

擴(kuò)展知識

VRRP協(xié)議棧

vrrp協(xié)議棧

上述標(biāo)紅的幾個字段是關(guān)鍵字段，都會出現(xiàn)在 keepalive 的配置文件中。

Version：VRRP協(xié)議版本號，RFC3768定義了版本2。
Type：該字段指明了VRRP報文的類型，RFC3768只定義了一種VRRP報文，那就是VRRP通告報文，所以該字段總是置為1，若收到的VRRP通告報文擁有非1的類型值，那么會被丟棄。
Virtual Rtr ID：也就是我們上面介紹過的VRID，一個VRID唯一地標(biāo)識了一個虛擬路由器，取值范圍是[1,255]，所以一臺路由器的接口可以同時運(yùn)行最多255個VRRP實例，此字段沒有缺省值，必須人為設(shè)定。
Priority：優(yōu)先級，在一個虛擬路由器中用來選取Master路由器和Backup路由器，值越大表明優(yōu)先級越高，此字段共有8個bit，取值范圍[1,254]，若沒有人為指定，缺省值是100。其中，VRRP協(xié)議會將IP地址擁有者路由器的該字段永遠(yuǎn)設(shè)置為255，若人為指定為其它值，也不會影響VRRP協(xié)議的默認(rèn)行為，即IP地址擁有者路由器的該字段總是255。另外，此字段設(shè)置為0會出現(xiàn)在下面這種情形中，當(dāng)Master路由器出現(xiàn)故障后，它會立刻發(fā)送一個Priority置0的VRRP通告報文，當(dāng)Backup路由器收到此通告報文后，會等待Skew time時間，然后將自己切換為Master路由器，其中Skew time=(256-Backup路由器的優(yōu)先級)/256，單位為秒，例如若Backup路由器的優(yōu)先級為100，那么Skew time=156/256=0.609秒，對于主路由器來說，Skew time并沒有實際意義，雖然cisco的路由器也會計算并顯示出來。
Count IP Addrs：VRRP通告報文中包含的IP地址數(shù)量，這個字段其實就是為一個VRRP虛擬路由器所分配的IP地址的數(shù)量。
Auth Type：認(rèn)證類型字段，是一個8位的無符號整數(shù)，一個虛擬路由器只能使用一種認(rèn)證類型，如果Backup路由器收到的通告報文中認(rèn)證類型字段是未知的或和本地配置的不匹配，那么它將丟棄該數(shù)據(jù)包。目前支持3種認(rèn)證方式：無認(rèn)證，簡單字符，和MD5認(rèn)證。
Adver Int:：此字段規(guī)定了Mater路由器向外發(fā)送VRRP通告報文的時間間隔，以秒為單位，取值范圍是[1,255]，若沒有人工配置，缺省為1秒。
Checksum：整個VRRP報文的校驗和，計算過程中，將Checksum字段置為0，計算完成后將結(jié)果填入此字段。若希望進(jìn)一步了解Checksum的計算，可以查看RFC1071(CKSM)。
IP Address：此字段存放3個VRRP虛擬路由器的虛擬IP地址，配置了幾個就封裝幾個，在上面的cisco實例中我們配置了三個，那么VRRP通告報文就會封裝3個。
Authentication Data：RFC3768中規(guī)定，此字段只是為了向RFC2338兼容，在實際的封裝時，全置為0.，接收方也會忽略此字段。