从原理到实战：Nginx/LVS 负载均衡与 Keepalived 高可用架构详解

在高并发业务场景中，单台服务器的性能和可靠性往往难以满足需求。负载均衡技术通过将流量分发到多台后端服务器，提升系统吞吐量；而高可用架构则通过消除单点故障，保障服务持续运行。本文将从 Nginx/LVS 的核心原理出发，结合 Keepalived 的高可用机制，详解 7 层负载均衡与双 VIP 架构的搭建过程，助力构建稳定可靠的服务集群。

一、负载均衡基础：Nginx 与 LVS 的核心区别​

负载均衡技术主要分为4 层（传输层） 和7 层（应用层），Nginx 与 LVS 分别是两者的典型代表，适用场景各有侧重。​

1. Nginx：7 层负载均衡​

Nginx 是一款轻量级的 HTTP 服务器，同时具备优秀的 7 层负载均衡能力，基于 HTTP/HTTPS 协议工作，支持复杂的路由规则和应用层处理。​

核心模块与工作原理：​

ngx_http_proxy_module：实现反向代理，通过proxy_pass指令将请求转发至后端服务器，例如：​

location /api/ {​
    proxy_pass http://backend_server;  # 转发至后端服务集群​
    proxy_set_header Host $host;      # 传递原始主机头​
    proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;  # 传递客户端真实IP​
}

ngx_http_upstream_module：管理后端服务器集群，支持多种负载均衡策略：​

轮询（默认）：按顺序分发请求到各服务器；​

weight（权重）：server 192.168.1.101 weight=5; 权重越高，接收请求越多，适合服务器性能不均的场景；​

ip_hash：根据客户端 IP 哈希值固定分发到某台服务器，解决会话保持问题（如登录状态）；​

least_conn：优先分发到连接数最少的服务器，适合长连接场景（如 WebSocket）。​

优势与适用场景：​

    支持 URL 路由（如location /static/转发至静态资源服务器）、SSL 卸载（集中处理 HTTPS 加密）；​

    配置简单，适合 Web 应用、API 服务等 7 层协议场景；​

    单实例能支撑数万并发，通过集群可进一步提升性能。​

2. LVS：4 层负载均衡的 “性能王者”​

LVS（Linux Virtual Server）是内核级别的 4 层负载均衡技术，基于 TCP/UDP 协议工作，性能远超 Nginx，能支撑百万级并发，适合高吞吐场景。​

核心模式与工作原理：​

    DR 模式（Direct Routing）：最常用的模式，LVS 仅处理请求分发，后端服务器直接向客户端返回响应，避免流量回传瓶颈。原理是通过修改数据包的 MAC 地址，将请求转发至后端服务器，后端服务器需配置 VIP（虚拟 IP）在回环网卡；​

    NAT 模式：请求和响应均经过 LVS，适合后端服务器无法直接访问公网的场景，但存在性能瓶颈（流量翻倍）；​

    TUN 模式：通过 IP 隧道转发数据包，适合跨机房集群，但配置复杂。​

调度算法：​

    rr（轮询）、wrr（加权轮询） 类似 Nginx；​

    lc（最少连接）、wlc（加权最少连接） 适合长连接服务；​

    sh（源地址哈希） 类似 ip_hash，实现会话绑定。​

优势与适用场景：​

    内核级转发，性能损耗极低，适合数据库、视频流等 4 层协议服务；​

    稳定性强，单点故障影响小（可配合 Keepalived 实现高可用）。​

二、Keepalived：高可用的 “守护者”​

即使负载均衡器性能再强，单点故障仍会导致整个服务中断。Keepalived 基于 VRRP（虚拟路由冗余协议）实现双机热备，确保负载均衡层的高可用。​

1. 核心工作原理​

VRRP 通过选举机制产生主节点（Master）和从节点（Backup），主节点持有 VIP（虚拟 IP）并处理流量，从节点实时监控主节点状态，当主节点故障时自动接管 VIP，实现无缝切换。​

    优先级：主节点优先级高于从节点（默认 100，数值越大优先级越高）；​

    心跳检测：主节点定期发送 VRRP 通告报文（默认每 1 秒），从节点若超时未收到则认为主节点故障；​

    抢占模式：默认开启，当主节点恢复后，会抢占回 VIP（可关闭避免频繁切换）。​

2. 健康检测机制​

Keepalived 不仅能检测负载均衡器本身的状态，还能通过脚本检测后端服务健康状态，确保流量只分发到正常节点。​

配置示例（检测 Nginx 是否存活）：​

vrrp_script check_nginx {​
    script "/etc/keepalived/check_nginx.sh"  # 检测脚本路径​
    interval 2  # 每2秒检测一次​
    weight -20  # 检测失败，优先级减20​
}​
​
vrrp_instance VI_1 {​
    state MASTER​
    interface eth0​
    virtual_router_id 51​
    priority 100​
    advert_int 1​
    authentication {​
        auth_type PASS​
        auth_pass 1111​
    }​
    virtual_ipaddress {​
        192.168.1.100  # VIP​
    }​
    track_script {​
        check_nginx  # 关联检测脚本​
    }​
}

检测脚本check_nginx.sh：​

#!/bin/bash
if ! ps -C nginx > /dev/null; then
    systemctl start nginx  # 尝试重启Nginx
    sleep 2
    if ! ps -C nginx > /dev/null; then
        exit 1  # 重启失败，返回非0值触发主从切换
    fi
fi

3. Notify 功能：状态切换时的 “自动化工具”​

Notify 功能允许在主从状态切换时执行自定义脚本（如发送告警、切换服务配置），提升运维自动化水平。​

配置示例：​

vrrp_instance VI_1 {
    # ... 其他配置 ...
    notify_master "/etc/keepalived/notify_master.sh"  # 成为主节点时执行
    notify_backup "/etc/keepalived/notify_backup.sh"  # 成为从节点时执行
    notify_fault "/etc/keepalived/notify_fault.sh"    # 故障时执行
}

notify_master.sh（发送告警并启用服务）：​

#!/bin/bash
echo "[$(date)] 切换为主节点，VIP: 192.168.1.100" >> /var/log/keepalived_notify.log
systemctl start nginx  # 确保Nginx启动
curl -X POST -d "状态切换：主节点接管VIP" https://alert.example.com  # 发送告警

三、实战：Nginx 7 层负载均衡 + 双 VIP 高可用架构​

1. 架构设计目标​

    负载均衡：通过 Nginx 将 HTTP 请求分发到 2 台后端 Web 服务器；​

    高可用：2 台 Nginx 节点（主从）配合 Keepalived，实现 VIP 自动漂移，避免单点故障；​

    双 VIP：主节点持有 VIP1（192.168.1.100），从节点持有 VIP2（192.168.1.101），正常情况下分担流量，故障时自动接管对方 VIP。​

2. 环境准备​

3. 搭建步骤​

步骤 1：配置后端 Web 服务器​

在 web1 和 web2 上部署简单 Web 服务（以 Nginx 为例）：​

# 安装Nginx
yum install -y nginx
# 编写测试页面
echo "web1: $(hostname -I)" > /usr/share/nginx/html/index.html  # web1
echo "web2: $(hostname -I)" > /usr/share/nginx/html/index.html  # web2
systemctl start nginx && systemctl enable nginx

步骤 2：配置 Nginx 7 层负载均衡​

在 lb-master 和 lb-backup 上配置相同的负载均衡规则（/etc/nginx/conf.d/proxy.conf）：​

upstream web_servers {
    server 192.168.1.20 weight=1;  # 后端服务器1
    server 192.168.1.21 weight=1;  # 后端服务器2
    ip_hash;  # 启用会话保持
}

server {
    listen 80;
    server_name example.com;

    location / {
        proxy_pass http://web_servers;
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
    }
}

启动 Nginx 并验证：systemctl start nginx && nginx -t​

步骤 3：配置 Keepalived 双 VIP 高可用​

在 lb-master 上配置/etc/keepalived/keepalived.conf：​

global_defs {
    router_id LVS_MASTER  # 唯一标识
}

# 检测Nginx存活的脚本
vrrp_script check_nginx {
    script "/etc/keepalived/check_nginx.sh"
    interval 2
    weight -20
}

# VIP1配置（主节点）
vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100  # 高于从节点
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 123456
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.1.100/24 dev eth0  # VIP1
    }
    track_script {
        check_nginx
    }
    notify_master "/etc/keepalived/notify_master.sh"
    notify_backup "/etc/keepalived/notify_backup.sh"
}

# VIP2配置（从节点角色）
vrrp_instance VI_2 {
    state BACKUP
    interface eth0
    virtual_router_id 52
    priority 90  # 低于从节点的VI_2优先级
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 123456
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.1.101/24 dev eth0  # VIP2
    }
    track_script {
        check_nginx
    }
}

在 lb-backup 上配置 Keepalived（与主节点类似，调整state和priority）：​

    VI_1 的state设为 BACKUP，priority设为 90；​

    VI_2 的state设为 MASTER，priority设为 100。​

步骤 4：启动服务并测试​

1. 启动 Keepalived：systemctl start keepalived && systemctl enable keepalived；​

2. 验证 VIP：在主节点执行ip addr，应看到 VIP1；从节点看到 VIP2；​

3. 测试负载均衡：访问http://192.168.1.100和http://192.168.1.101，应交替返回 web1 和 web2 的页面；​

4. 测试故障切换：关闭 lb-master 的 Nginx（systemctl stop nginx），等待 3 秒后，在 lb-backup 上执行ip addr，应看到 VIP1 已漂移过来。​

四、常见问题与优化​

1. VIP 冲突：确保后端服务器不配置 VIP，避免 ARP 广播冲突；​
2. 健康检测频率：interval不宜过短（建议 1-3 秒），避免误判；​
3. 会话保持：7 层用 Nginx 的ip_hash，4 层用 LVS 的sh算法，或引入 Redis 存储会话；​
4. 监控告警：结合 Prometheus+Grafana 监控 Nginx 连接数、Keepalived 状态，及时发现异常。​

总结​

Nginx 与 LVS 分别在 7 层和 4 层负载均衡中发挥核心作用，而 Keepalived 通过 VRRP 协议解决了单点故障问题。双 VIP 架构，既实现了负载分担，又保障了高可用。