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Linux 高可用与负载均衡：HAProxy、Keepalived 与集群方案

Linux 高可用与负载均衡实战：L4/L7 分层、HAProxy 配置与 ACL/会话保持、Keepalived 虚拟 IP 漂移、LVS 模式、Pacemaker 集群、故障切换与脑裂防护。

Leeting Yan 7 分钟阅读 3478 字

引言

单点故障与流量压力是服务化的两个宿敌。负载均衡把流量分到多台后端，高可用让一台挂了流量不中断。Linux 生态的经典组合是 HAProxy（L4/L7 负载均衡）+ Keepalived（虚拟 IP 漂移），进阶有 LVS 与 Pacemaker 集群。本文按「为什么需要 → 分层原理 → HAProxy 配置 → VIP 漂移 → 集群 → 会话保持 → 故障切换与脑裂」展开。

前置：/linux-network-commands/（网络与端口）、/linux-firewall-nftables/（NAT/转发）、/linux-systemd-services/（服务管理）。

目录

1. 高可用与负载均衡的目标

两个目标要分清：

负载均衡：把流量分摊到多后端 → 提升吞吐与利用率
高可用：后端/入口挂了流量不中断 → 提升可用性（SLA）

衡量指标：

- 可用性：9 个 9（99.9% = 每年停机 ~9 小时）
- 吞吐：QPS / 带宽
- 延迟：P50/P99

为什么不能只用一台：单点 → 故障即中断；单机 → 流量上限。

「入口」本身也要 HA：LB 自己也是单点 → LB 集群 + VIP 漂移（Keepalived）。

典型拓扑：

客户端 → VIP（Keepalived 管理）→ HAProxy 集群 → 后端多台 Web

记忆：负载均衡分流量、高可用保不中断；单点不止在后端，LB 自己也要集群 + VIP；指标看可用性/吞吐/延迟三件。

2. 分层原理：L4 与 L7 负载均衡

按网络层分两种：

L4（传输层）：看 IP:端口 转发（内核态，快、状态少）
L7（应用层）：看 HTTP 内容（Host/路径/头），智能但慢

对比：

维度L4（如 LVS）L7（如 HAProxy HTTP 模式）
转发依据IP:端口HTTP 报文内容
性能高（内核态）中（用户态解析）
智能路由否是（ACL、按路径）
会话保持源地址/算法Cookie 等

HAProxy 同时支持：mode tcp（L4）/ mode http（L7）。

选型：

- 单纯流量分发（数据库/Redis）：L4
- Web 应用要按路径/会话保持：L7
- 常组合：L4 抗 DDoS + L7 应用路由

记忆：L4 看 IP:端口、内核态快；L7 看 HTTP 内容、能智能路由；HAProxy 用 mode tcp 或 mode http 二选；纯转发用 L4、应用路由用 L7。

3. HAProxy 配置：frontend、backend 与算法

HAProxy 三段式配置：

frontend：接收流量（监听 + 规则）
backend ：后端服务器池
defaults：全局默认

最小配置：

global
    log /dev/log local0
    maxconn 4096

defaults
    mode http
    timeout connect 5s
    timeout client  30s
    timeout server  30s

frontend http-in
    bind *:80
    default_backend web_servers

backend web_servers
    balance roundrobin
    server web1 10.0.0.11:8080 check
    server web2 10.0.0.12:8080 check

负载均衡算法：

roundrobin：轮询（默认）
leastconn：最少连接（长连接友好）
source：源 IP 哈希（会话保持）
uri：URI 哈希（缓存友好）

健康检查：check 主动探测后端；可自定义检查路径：

backend web_servers
    option httpchk GET /healthz
    server web1 10.0.0.11:8080 check

记忆：HAProxy 三段——frontend 收流量、backend 后端池、defaults 默认；算法 roundrobin/leastconn/source/uri 按场景选；check + option httpchk 做健康检查自动摘除坏后端。

4. ACL 与高级路由：按路径、来源分流

ACL（访问控制列表）：根据报文内容路由到不同 backend。

frontend http-in
    bind *:80
    # 按路径分流
    acl is_api  path_beg /api
    use_backend api_servers if is_api
    default_backend web_servers

    # 按来源 IP 分流（灰度）
    acl is_canary  src 10.0.0.100
    use_backend canary_servers if is_canary

backend api_servers
    server api1 10.0.0.21:8080 check

backend canary_servers
    server canary1 10.0.0.31:8080 check

常用 ACL 条件：

path_beg /path_start、path_end、hdr(host)、src、dst_port

HTTP 头改写与限速：

# 加响应头
http-response set-header X-Served-By haproxy
# 限速
stick-table type ip size 1m expire 10m
http-request track-sc0 src

HTTPS 终结：

frontend https-in
    bind *:443 ssl crt /etc/ssl/haproxy.pem
    default_backend web_servers

记忆：ACL 让 HAProxy 变智能网关——path_beg 按路径、src 按来源灰度、hdr(host) 按域名分流；加头/限速/HTTPS 终结（ssl crt）都在 frontend 配。

5. Keepalived：虚拟 IP 与健康检查

Keepalived = VIP（虚拟 IP）+ VRRP 协议：两台 LB 共用一个 VIP，主挂了 VIP 漂到备。

配置主节点（/etc/keepalived/keepalived.conf）：

vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER          # 主
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100          # 主 > 备
    virtual_ipaddress {
        10.0.0.50         # 虚拟 IP
    }
    track_script {
        check_haproxy     # 健康检查脚本
    }
}

备节点：state BACKUP、priority 90。

健康检查脚本：HAProxy 挂了自动降级/漂移：

#!/bin/bash
# /etc/keepalived/check_haproxy.sh
systemctl is-active --quiet haproxy && exit 0 || exit 1

VIP 的作用：客户端只连 VIP，不感知后端切换——IP 不中断。

记忆：Keepalived 用 VRRP 管 VIP——主 MASTER priority 高、备 BACKUP 低，track_script 健康检查挂了就漂 VIP；客户端只认 VIP，切换无感知。

6. LVS：内核级负载均衡

LVS（Linux Virtual Server）：内核态负载均衡，性能最高。

三种模式：

NAT  ：LB 转发并改地址（后端回包走 LB）
DR   ：LB 只转发请求，后端直接回包（最高性能）
Tunnel：IP 隧道封装（跨机房）

DR 模式配置（ipvsadm）：

# LB 上配置
ipvsadm -A -t 10.0.0.50:80 -s rr
ipvsadm -a -t 10.0.0.50:80 -r 10.0.0.11:80 -g
ipvsadm -a -t 10.0.0.50:80 -r 10.0.0.12:80 -g
# 后端要配置 VIP 到回环并禁 ARP 响应

DR 关键：后端回包直连客户端 → LB 无回包瓶颈。

选型：LVS 快但配置内核化、HAProxy 功能多；常组合：LVS（L4 高吞吐）+ HAProxy（L7 应用路由）。

记忆：LVS 三模式——NAT 转发改地址、DR 后端直回最高性能、Tunnel 跨机房；DR 后端回环绑 VIP 禁 ARP；实战常 LVS 扛吞吐 + HAProxy 做应用层。

7. Pacemaker：资源级高可用集群

Pacemaker + Corosync：把「资源」（IP/服务/文件系统）做成可漂移的集群资源。

Corosync：成员通信与心跳
Pacemaker：资源编排与决策

资源漂移示例：VIP + 服务绑定，节点挂了整体漂移。

pcs cluster setup mycluster node1 node2   # 建集群
pcs resource create vip IPaddr2 ip=10.0.0.50
pcs resource create web systemd:nginx
pcs constraint colocation add web vip     # 一起漂

用途：数据库主备（drbd + pacemaker）、NFS、多服务绑定漂移。

与 Keepalived 区别：

- Keepalived：简单（VIP 漂移）
- Pacemaker：复杂（资源编排、多资源、法定人数）
- 小规模用 Keepalived、关键资源集群用 Pacemaker

记忆：Pacemaker+Corosync 做资源级 HA——VIP/服务/文件系统作为资源整体漂移；colocation 约束绑定同漂；简单 VIP 用 Keepalived、多资源编排用 Pacemaker。

8. 会话保持与无状态设计

负载均衡的分流会「拆散」用户会话——需要会话保持或设计成无状态。

会话保持四法：

① 源 IP 哈希（source 算法）：同一 IP 固定一台
② Cookie：HAProxy 注入 cookie 标识后端
③ Redis 集中会话：后端共享会话存储
④ 无状态：把状态外置（JWT/token、数据库）

HAProxy cookie：

backend web_servers
    balance roundrobin
    cookie SRV insert indirect nocache
    server web1 10.0.0.11:8080 cookie w1 check
    server web2 10.0.0.12:8080 cookie w2 check

最佳实践：能无状态就别做会话保持——JWT 外置状态，任意后端可服务，扩缩容无缝。

记忆：会话保持四法——源 IP 哈希、Cookie 注入、Redis 集中会话、无状态外置；能无状态就别保持（JWT/token），扩缩容才自由。

9. 故障切换与脑裂防护

故障切换流程：

后端故障 → 健康检查失败 → 摘除（HAProxy check）
LB 故障 → Keepalived 检测 → VIP 漂移 → 客户端无感
服务级故障 → Pacemaker 资源漂移

脑裂（Split-brain）：集群节点都认为对方死了，各自主导 → 数据不一致。

脑裂防护：

- 法定人数（Quorum）：多数节点投票才接管
- 仲裁盘/隔离（fencing）：把故障节点强制隔离
- VRRP：优先级 + 抢占机制避免双主
- STONITH（Pacemaker）：断电故障节点

切换注意事项：

- 会话迁移：有状态的会话需处理
- 双写风险：数据库切换要防双主（fencing 必须）
- 切换演练：定期演练故障切换

记忆：切换三层——后端挂被 check 摘除、LB 挂 VIP 漂移、服务挂资源漂移；脑裂防护用 Quorum 法定人数 + fencing/STONITH 强制隔离故障节点，数据库切换绝不可双主。

10. 速查表与一句话记忆

场景方案
L4 高吞吐LVS（DR 模式）
L7 应用路由HAProxy（mode http + ACL）
VIP 漂移Keepalived（VRRP）
资源级 HAPacemaker + Corosync
会话保持Cookie / 源 IP / 无状态外置
健康检查HAProxy check / Keepalived track_script
脑裂防护Quorum + fencing/STONITH

一句话记忆：高可用与负载均衡 = 负载均衡分流量（L4 内核态 LVS/HAProxy tcp、L7 应用路由 HAProxy http + ACL 按路径/来源/域名分流）+ 高可用保不中断（Keepalived VRRP 管 VIP 漂移、Pacemaker 做资源级集群、健康检查自动摘除坏节点）；会话能无状态就别保持（JWT 外置）；切换三层——后端挂被摘、LB 挂 VIP 漂、服务挂资源漂；脑裂用 Quorum 法定人数 + fencing 隔离防双主——让「一台挂了」从事故变成常态运维的自动动作。

延伸阅读

  • /linux-network-commands/ — 网络与端口排查
  • /linux-firewall-nftables/ — NAT/转发与网络防护
  • /linux-systemd-services/ — 服务管理与自启
  • /linux-containers-isolation/ — 容器网络与隔离
  • [[network]] — 网络协议与路由
  • [[infra]] — 基础设施与部署

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