keepalived之 Keepalived 原理（定義、VRRP 協議、VRRP 工作機制）

1.Keepalived 定義
Keepalived 是一個基於VRRP協議來實現的LVS服務高可用方案，可以利用其來避免單點故障。一個LVS服務會有2臺伺服器執行Keepalived，一臺為主伺服器（MASTER），一臺為備份伺服器（BACKUP），但是對外表現為一個虛擬IP，主伺服器會傳送特定的訊息給備份伺服器，當備份伺服器收不到這個訊息的時候，即主伺服器當機的時候， 備份伺服器就會接管虛擬IP，繼續提供服務，從而保證了高可用性。Keepalived是VRRP的完美實現，因此在介紹keepalived之前，先介紹一下VRRP的原理。

2.VRRP 協議簡介
在現實的網路環境中，兩臺需要通訊的主機大多數情況下並沒有直接的物理連線。對於這樣的情況，它們之間路由怎樣選擇？主機如何選定到達目的主機的下一跳路由，這個問題通常的解決方法有二種：
在主機上使用動態路由協議(RIP、OSPF等)
在主機上配置靜態路由
很明顯，在主機上配置動態路由是非常不切實際的，因為管理、維護成本以及是否支援等諸多問題。配置靜態路由就變得十分流行，但路由器(或者說預設閘道器default gateway)卻經常成為單點故障。VRRP的目的就是為了解決靜態路由單點故障問題，VRRP透過一競選(election)協議來動態的將路由任務交給LAN中虛擬路由器中的某臺VRRP路由器。

3.VRRP 工作機制
在一個VRRP虛擬路由器中，有多臺物理的VRRP路由器，但是這多臺的物理的機器並不能同時工作，而是由一臺稱為MASTER的負責路由工作，其它的都是BACKUP，MASTER並非一成不變，VRRP讓每個VRRP路由器參與競選，最終獲勝的就是MASTER。MASTER擁有一些特權，比如，擁有虛擬路由器的IP地址，我們的主機就是用這個IP地址作為靜態路由的。擁有特權的MASTER要負責轉發傳送給閘道器地址的包和響應ARP請求。
VRRP透過競選協議來實現虛擬路由器的功能，所有的協議報文都是透過IP多播(multicast)包(多播地址224.0.0.18)形式傳送的。虛擬路由器由VRID(範圍0-255)和一組IP地址組成，對外表現為一個周知的MAC地址。所以，在一個虛擬路由 器中，不管誰是MASTER，對外都是相同的MAC和IP(稱之為VIP)。客戶端主機並不需要因為MASTER的改變而修改自己的路由配置，對客戶端來說，這種主從的切換是透明的。
在一個虛擬路由器中，只有作為MASTER的VRRP路由器會一直髮送VRRP通告資訊(VRRPAdvertisement message)，BACKUP不會搶佔MASTER，除非它的優先順序(priority)更高。當MASTER不可用時(BACKUP收不到通告資訊)， 多臺BACKUP中優先順序最高的這臺會被搶佔為MASTER。這種搶佔是非常快速的(<1s)，以保證服務的連續性。由於安全性考慮，VRRP包使用了加密協議進行加密。

4.VRRP 工作流程
(1).初始化： 
路由器啟動時，如果路由器的優先順序是255(最高優先順序，路由器擁有路由器地址)，要傳送VRRP通告資訊，併傳送廣播ARP資訊通告路由器IP地址對應的MAC地址為路由虛擬MAC，設定通告資訊定時器準備定時傳送VRRP通告資訊，轉為MASTER狀態；否則進入BACKUP狀態，設定定時器檢查定時檢查是否收到MASTER的通告資訊。
(2).Master
設定定時通告定時器；
用VRRP虛擬MAC地址響應路由器IP地址的ARP請求；
轉發目的MAC是VRRP虛擬MAC的資料包；
如果是虛擬路由器IP的擁有者，將接受目的地址是虛擬路由器IP的資料包，否則丟棄；
當收到shutdown的事件時刪除定時通告定時器，傳送優先權級為0的通告包，轉初始化狀態；
如果定時通告定時器超時時，傳送VRRP通告資訊；
收到VRRP通告資訊時，如果優先權為0，傳送VRRP通告資訊；否則判斷資料的優先順序是否高於本機，或相等而且實際IP地址大於本地實際IP，設定定時通告定時器，復位主機超時定時器，轉BACKUP狀態；否則的話，丟棄該通告包；
(3).Backup
設定主機超時定時器；
不能響應針對虛擬路由器IP的ARP請求資訊；
丟棄所有目的MAC地址是虛擬路由器MAC地址的資料包；
不接受目的是虛擬路由器IP的所有資料包；
當收到shutdown的事件時刪除主機超時定時器，轉初始化狀態；
主機超時定時器超時的時候，傳送VRRP通告資訊，廣播ARP地址資訊，轉MASTER狀態；
收到VRRP通告資訊時，如果優先權為0，表示進入MASTER選舉；否則判斷資料的優先順序是否高於本機，如果高的話承認MASTER有效，復位主機超時定時器；否則的話，丟棄該通告包；

5.ARP查詢處理
當內部主機透過ARP查詢虛擬路由器IP地址對應的MAC地址時，MASTER路由器回覆的MAC地址為虛擬的VRRP的MAC地址，而不是實際網路卡的 MAC地址，這樣在路由器切換時讓內網機器覺察不到；而在路由器重新啟動時，不能主動傳送本機網路卡的實際MAC地址。如果虛擬路由器開啟的ARP代理 (proxy_arp)功能，代理的ARP回應也回應VRRP虛擬MAC地址；