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《K8s中基于Keepalived的负载均衡实现原理深度剖析》
K8s与负载均衡概述
在Kubernetes（K8s）集群环境中，负载均衡是确保服务高可用性和高效资源利用的关键机制，随着集群规模的扩大和服务请求数量的增加，如何合理地将流量分配到各个后端服务实例成为一个重要的问题。
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Keepalived简介
Keepalived是一种基于VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）的高可用性解决方案，在K8s环境下，Keepalived可以用于实现负载均衡。
（一）VRRP原理
VRRP允许一组路由器（在K8s中可以类比为节点）协同工作，对外呈现为一个虚拟路由器，其中有一个主路由器（Master）负责处理网络流量，其他的为备份路由器（Backup），主路由器会定期发送VRRP通告消息，以表明自己的存活状态，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，就会认为主路由器失效，然后其中一个备份路由器会自动升级成为新的主路由器，接管网络流量的处理。
（二）Keepalived在K8s中的角色
1、IP漂移
- Keepalived可以实现虚拟IP（VIP）的漂移，在K8s集群中，多个节点可能运行着相同的服务副本，Keepalived可以确保在某个节点出现故障时，VIP能够快速地转移到其他正常节点上，当运行着负载均衡器实例的节点突然宕机，VIP会被另一个节点接管，这样客户端的请求仍然可以被正确处理，而不会出现服务中断的情况。
2、健康检查
- Keepalived能够对后端的服务实例进行健康检查，它可以通过发送网络请求（如HTTP请求或者ICMP Ping等方式）来检测服务是否正常运行，如果发现某个后端服务实例不可用，Keepalived会将其从负载均衡的转发列表中移除，避免将流量发送到不健康的服务上。
三、K8s中基于Keepalived的负载均衡实现原理
（一）服务注册与发现
1、与K8s API的交互
- 在K8s中，服务（Service）是一种抽象，它定义了一组Pod的逻辑集合以及访问这些Pod的策略，Keepalived需要与K8s API进行交互，以获取服务的相关信息，例如后端Pod的IP地址和端口等，当有新的Pod被创建或者旧的Pod被删除时，K8s API会更新服务的相关信息，Keepalived能够及时感知这些变化，从而调整负载均衡的配置。
2、服务端点的监控
- Keepalived会持续监控服务端点（Endpoints）的状态，Endpoints表示了服务对应的实际后端Pod的网络地址，通过监控Endpoints的变化，Keepalived可以确保负载均衡的目标列表始终是最新的，只有健康的Pod才会被纳入负载均衡的范围。
（二）流量分发机制
1、基于权重的负载均衡
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- Keepalived可以根据后端服务实例的负载能力等因素为其分配不同的权重，性能较强的节点或者Pod可以被分配更高的权重，这样在进行流量分发时，会有更多的流量被导向这些权重较高的实例，在计算权重时，可以考虑多种因素，如CPU使用率、内存使用率等，通过自定义的算法来确定每个实例的权重值。
2、连接跟踪与会话保持
- 对于一些有状态的服务，如基于HTTP的应用中使用了会话（Session）机制的情况，Keepalived可以实现连接跟踪和会话保持，当客户端首次与负载均衡器建立连接时，负载均衡器会将该连接分配到某个后端服务实例上，并且在后续的请求中（在会话有效期内），会始终将来自该客户端的请求转发到同一个后端实例，以确保会话的连续性。
（三）高可用性保障
1、主备切换机制
- 基于VRRP的Keepalived主备切换机制确保了负载均衡器本身的高可用性，如前面所述，当主Keepalived实例出现故障时，备份实例能够快速接管，在切换过程中，新的主实例会继承原主实例的负载均衡配置和连接状态等信息（部分实现可以做到这一点），以实现平滑的切换，减少对客户端请求的影响。
2、故障恢复后的重新平衡
- 当故障节点恢复后，Keepalived会重新评估整个集群的状态，如果恢复后的节点上的服务实例重新变为健康状态，Keepalived会根据当前的负载均衡策略将其重新纳入到流量分发的目标列表中，并可能会重新调整流量的分配比例，以实现整个集群的负载重新平衡。
配置与管理
1、Keepalived配置文件
- 在K8s中配置Keepalived需要编写合适的配置文件，配置文件中会定义虚拟路由器的ID、VIP地址、VRRP通告间隔、主备节点的优先级等重要参数。
```
vrrp_instance VI_1 {
state MASTER
interface eth0
virtual_router_id 51
priority 100
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advert_int 1
authentication {
auth_type PASS
auth_pass 1111
}
virtual_ipaddress {
192.168.1.100/24
}
}
```
- 这里定义了一个名为VI_1的VRRP实例，状态为MASTER（在备份节点上则为BACKUP），绑定的网络接口为eth0，虚拟路由器ID为51，优先级为100等参数。
2、与K8s资源的集成
- Keepalived的配置可以与K8s的资源对象（如Deployment、StatefulSet等）进行集成，可以通过K8s的配置管理工具（如ConfigMap或者Secret）来管理Keepalived的配置文件，这样可以方便地在集群中部署和更新Keepalived的配置，并且可以根据不同的环境（如开发、测试、生产）进行差异化配置。
在K8s集群中，基于Keepalived的负载均衡实现为服务的高可用性、高效性和可扩展性提供了有力的保障，通过深入理解其实现原理，包括服务注册与发现、流量分发机制、高可用性保障以及配置与管理等方面，能够更好地构建和优化K8s集群中的负载均衡解决方案，满足日益复杂的业务需求。
标签： #k8s #keepalived #负载均衡 #实现原理
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