HaProxy 与 Keepalived 实现双机热备高可用

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前言

本文将介绍在 Linux 环境中，HaProxy 如何利用 Keepalived 实现双机热备（即双机主备），从而保证其高可用性，适用于 CentOS、Debian、Ubuntu 等 Linux 发行版。

准备工作

整体架构

由于本文重点在于介绍 HAProxy + Keepalived 实现双机主备（即双机热备），因此下图中 HAProxy 针对后端 Web 服务（例如 Kubernetes API Server）的反向代理配置将不再展开详细介绍。

部署规划

节点名称角色 IP 备注
节点一 node1Master192.168.2.191安装 HaProxy、Keepalived
节点二 node2Backup192.168.2.148安装 HaProxy、Keepalived

虚拟 IP（VIP）的说明

  • 虚拟 IP（VIP）由 Keepalived 提供。
  • 在配置 Keepalived 的 virtual_ipaddress 参数时，所指定的 VIP 地址必须与 HaProxy 所在节点处于同一网段。
  • 例如，如果两个 HaProxy 节点的网段为 192.168.2.0/24，则 VIP 也应设置为该网段内的地址（如 192.168.2.x）。

关闭防火墙

关闭系统防火墙，避免 Keepalived 主备节点之间无法正常通信

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# 临时关闭
# systemctl stop firewalld

# 永久关闭
# systemctl disable firewalld

若不希望关闭防火墙，则需要开放以下防火墙端口，尤其是 Keepalived 的 112（VRRP）端口

组件协议 / 端口是否必须开放作用
KeepalivedIP 协议号 112（VRRP）必须 VRRP 主备心跳
HaProxyTCP 80可选代理 HTTP 服务
HaProxyTCP 443可选代理 HTTPS 服务
HaProxy StatsTCP 1080（可自定义）可选访问 HAProxy 的统计页面

安装 HaProxy

特别注意

  • 在两个节点上，分别编译安装 HaProxy，这两个节点上的 HaProxy 配置文件是完全相同的。

安装概述

安装说明路径
HaProxy 的安装路径/usr/local/sbin/haproxy
HaProxy 的配置文件/etc/haproxy/haproxy.cfg
HaProxy 的 PID 文件/var/lib/haproxy/haproxy.pid
HaProxy 的 Socket 文件/var/lib/haproxy/stats
HaProxy 的 Systemd 服务配置文件/usr/lib/systemd/system/haproxy.service

安装步骤

安装依赖软件包

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# CentOS系统安装软件包
# yum install -y gcc make pcre-devel openssl openssl-devel systemd-devel wget

# Debian、Ubuntu系统安装软件包
# apt install -y gcc make libpcre3-dev openssl libssl-dev libsystemd-dev wget

下载 HaProxy 源码包（官网下载地址）

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# 下载源码包
# wget https://www.haproxy.org/download/2.8/src/haproxy-2.8.5.tar.gz

下载 HaProxy 源码包

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# 解压源码包
# tar -xvf haproxy-2.8.5.tar.gz

编译源码与安装

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# 进入源码包的解压目录
# cd haproxy-2.8.5

# 编译源码
# make TARGET=linux-glibc \
     USE_OPENSSL=1 \
     USE_PCRE=1 \
     USE_SYSTEMD=1 \
     USE_ZLIB=1 \
     -j$(nproc)

# 安装
# make install

创建用户

创建 HaProxy 用户与用户组

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# 创建用户组
# groupadd --system haproxy

# 创建用户（禁止登录）
# sudo useradd --system --no-create-home --shell /sbin/nologin --gid haproxy haproxy

配置服务

配置 Systemd 管理 HaProxy 服务

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# 创建系统配置文件，添加以下配置内容
# vim /usr/lib/systemd/system/haproxy.service
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[Unit]
Description=HAProxy Load Balancer
After=network.target

[Service]
User=haproxy
Group=haproxy
LimitNOFILE=1048576
Environment="CONFIG=/etc/haproxy/haproxy.cfg" "PIDFILE=/var/lib/haproxy/haproxy.pid"
ExecStartPre=/usr/local/sbin/haproxy -f $CONFIG -c -q
ExecStart=/usr/local/sbin/haproxy -Ws -f $CONFIG -p $PIDFILE
ExecReload=/bin/kill -USR2 $MAINPID
KillMode=mixed
Type=notify

[Install]
WantedBy=multi-user.target

创建 HaProxy 的运行目录

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# 创建运行目录
# mkdir -p /var/lib/haproxy

# 更改运行目录的所有者
# chown -R haproxy:haproxy /var/lib/haproxy

# 设置运行目录的权限
# chmod 750 /var/lib/haproxy

创建 HaProxy 的配置目录

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# 创建配置目录
# mkdir -p /etc/haproxy

创建 HaProxy 的配置文件

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# 创建配置文件，添加以下配置内容
# vim /etc/haproxy/haproxy.cfg
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#---------------------------------------------------------------------
# Global settings
#---------------------------------------------------------------------
global
    # to have these messages end up in /var/log/haproxy.log you will
    # need to:
    # 1) configure syslog to accept network log events.  This is done
    #    by adding the '-r' option to the SYSLOGD_OPTIONS in
    #    /etc/sysconfig/syslog
    # 2) configure local2 events to go to the /var/log/haproxy.log
    #   file. A line like the following can be added to
    #   /etc/sysconfig/syslog
    #
    #    local2.*                       /var/log/haproxy.log
    #
    log         127.0.0.1 local2
    
    # chroot      /var/lib/haproxy
    # pidfile     /var/run/haproxy.pid
    # user        haproxy
    # group       haproxy
    maxconn     4000
    nbthread    4
    # nbproc    1
    # daemon
       
    # turn on stats unix socket
    stats socket /var/lib/haproxy/stats

#---------------------------------------------------------------------
# common defaults that all the 'listen' and 'backend' sections will
# use if not designated in their block
#---------------------------------------------------------------------  
defaults
    mode                    http
    log                     global
    option                  httplog
    option                  dontlognull
    option http-server-close
    option forwardfor       except 127.0.0.0/8
    option                  redispatch
    retries                 3
    timeout http-request    10s
    timeout queue           1m
    timeout connect         10s
    timeout client          1m
    timeout server          1m
    timeout http-keep-alive 10s
    timeout check           10s
    maxconn                 3000

#---------------------------------------------------------------------
# collection haproxy statistics message
#---------------------------------------------------------------------
listen stats
    bind                 *:1080
    stats auth           admin:admin
    stats refresh        5s
    stats realm          HAProxy\ Statistics
    stats uri            /admin?stats

HaProxy 配置文件的使用说明

配置项类型默认值说明
maxconn全局 / 前端 / 后端2000最大连接数，控制 HAProxy 可以同时处理的并发连接数。
nbthread全局1指定每个进程使用的线程数。多线程模式可提高单进程并发性能。
nbproc全局1指定 HAProxy 启动的进程数。多进程模式用于多核优化，但 Systemd 下不推荐与 daemon 配合使用。
daemon全局禁用是否后台运行。Systemd 管理 HaProxy 时通常禁用，HAProxy 由 Systemd 控制前后台。
modedefaults/frontend/backendhttp连接模式，可选 http 或 tcp。可以使用 tcp 来实现 Kubernetes API Server 代理。
balancebackendroundrobin负载均衡算法，可选 roundrobin、leastconn、source 等。
stats authlisten 设置统计页面认证用户名和密码，例如 admin:admin。
stats refreshlisten10s统计页面刷新时间，单位秒。
stats realmlistenHTTP Basic Auth 的 realm 名称，显示在认证弹窗中。
stats urilisten/HaProxy 统计页面访问 URI，例如 /admin?stats。

Haproxy 的配置建议

  • maxconn + nbthread 可以提升单进程并发性能。
  • mode tcp 是代理 Kubernetes API Server 的标准配置，因为 API Server 是 HTTPS / TCP 流量。
  • 当使用 Systemd 管理 HaProxy 时，建议配置 nbproc = 1 + nbthread > 1 + 不启用 daemon，这是最稳定和高效的配置方式。

若 HaProxy 需要对后端 Web 服务（例如 Kubernetes API Server）进行反向代理，可以在上述 HaProxy 配置内容的基础上，再添加以下内容（请根据实际业务进行更改），完整的配置案例可以看 这里

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#---------------------------------------------------------------------
# kubernetes apiserver frontend which proxys to the backends
#--------------------------------------------------------------------- 
frontend kubernetes-apiserver
    mode                 tcp
    bind                 *:16443
    option               tcplog
    default_backend      kubernetes-apiserver    

#---------------------------------------------------------------------
# round robin balancing between the various backends
#---------------------------------------------------------------------
backend kubernetes-apiserver
    mode        tcp
    balance     roundrobin
    server      master01.k8s.io   192.168.2.191:6443 check
    server      master02.k8s.io   192.168.2.148:6443 check

HaProxy 加上反向代理的配置后，就可以通过 http://<node-ip>:16443 来访问后端的多个 Web 服务

启动服务

设置开机自启动 HaProxy 服务

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# 更新系统配置
# systemctl daemon-reload

# 开机自启动HaProxy
# systemctl enable haproxy

立刻启动 HaProxy 服务

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# 启动HaProxy
# systemctl start haproxy

# 查看HaProxy的运行状态
# systemctl status haproxy

当 HaProxy 的配置文件发生变更后，可以执行热加载（也叫平滑重载，不会中断现有连接），让配置文件生效

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# 热加载HaProxy配置文件
# systemctl reload haproxy

验证服务

浏览器通过 http://<node-ip>:1080/admin?stats 访问 HaProxy 的统计页面，默认的登录用户名和密码是 admin / admin；如果可以正常访问（如下图所示），则说明 HaProxy 可以正常运行

安装 Keepalived

特别注意

  • 在两个节点上，分别安装 Keepalived，这两个节点上的 Keepalived 配置文件是不一样的。

安装概述

  • Keepalived 是一个高可用软件，基于 VIP 绑定实现服务器双机主备（也叫双机热备），在上述拓扑中，Keepalived 主要根据 HaProxy 的运行状态判断是否需要故障转移（VIP 切换）。
  • 例如，当 HaProxy 主节点挂掉，VIP 会自动绑定在 HaProxy 备节点，从而保证 VIP 一直可用，实现 HaProxy 高可用。
安装说明路径
Keepalived 的安装路径/usr/local/keepalived
Keepalived 的配置文件/usr/local/keepalived/etc/keepalived/keepalived.conf
Keepalived 的 Systemd 服务配置文件（自动生成）/usr/lib/systemd/system/keepalived.service
Keepalived 检测 HaProxy 是否可用的 Shell 脚本/usr/local/keepalived/etc/keepalived/scripts/haproxy_check.sh

安装步骤

安装依赖软件包

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# CentOS系统安装软件包
# yum install -y gcc gcc-c++ make openssl-devel libnl libnl-devel net-snmp-devel popt-devel

# Debian、Ubuntu系统安装软件包
# apt install -y gcc g++ make libssl-dev libnl-3-dev libnl-genl-3-dev libsnmp-dev libpopt-dev

下载 Keepalived 源码包（官网下载地址）

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# 下载源码包
# wget https://www.keepalived.org/software/keepalived-2.2.8.tar.gz

解压 Keepalived 源码包

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# 解压源码包
# tar -xvf keepalived-2.2.8.tar.gz

编译源码与安装

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# 进入源码包的解压目录
# cd keepalived-2.2.8

# 生成构建文件（Makefile）
# ./configure --prefix=/usr/local/keepalived

# 编译源码
# make -j$(nproc)

# 安装
# make install

创建脚本

创建用于 Keepalived 检测 HaProxy 服务是否可用的 Shell 脚本（比如 haproxy_check.sh）

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# 创建存放检测脚本的目录
# mkdir -p /usr/local/keepalived/etc/keepalived/scripts/

# 创建检测脚本，并写入以下脚本内容
# vim /usr/local/keepalived/etc/keepalived/scripts/haproxy_check.sh
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#!/bin/bash

# 获取HaProxy进程数量
HAPROXY_COUNT=$(pgrep -x haproxy | wc -l)

# 如果没有HaProxy进程，则返回非 0，Keepalived 会认为节点失效
if [ "$HAPROXY_COUNT" -eq 0 ]; then
    echo "HAProxy not running"
    exit 1
else
    echo "HAProxy running"
    exit 0
fi

授予 HaProxy 检测脚本可执行权限

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# 脚本授权
# chmod +x /usr/local/keepalived/etc/keepalived/scripts/haproxy_check.sh

配置服务

Keepalived 配置文件的使用说明

配置项示例值说明
router_idk8s本节点唯一标识，用于日志区分（不同节点可不同）。
script"killall -0 haproxy"检测 HAProxy 服务是否可用，可以是 Shell 命令，还可以是 Shell 脚本的绝对路径。返回 0 表示正常，返回非 0 表示失败。
interval2检测脚本执行间隔（秒），指定 Keepalived 多久执行一次健康检查脚本。
weight-100节点权重变化值，检测脚本失败时降低优先级或成功时增加优先级。负值表示降低权重，正值表示增加权重。
fall3连续失败次数阈值，当检测脚本连续失败次数达到 fall 时，节点会认为服务不可用，并扣减权重或触发 VIP 切换。
rise2连续成功次数阈值，当检测脚本连续成功次数达到 rise 时，节点会认为服务恢复，并恢复权重初始值。
stateMASTER节点初始角色（MASTER 或 BACKUP），最终由优先级决定。
interfaceenp0s3VRRP 使用的网络接口名称，可通过 ifconfig 命令得知。
virtual_router_id51VRRP 组 ID，两个节点必须一致。
priority200节点优先级（权重），数值越大优先级越高。
advert_int1VRRP 心跳间隔（秒），默认 1 秒。
auth_typePASSVRRP 认证方式（PASS 或 AH）。
auth_passceb1b3ec013d66163d6abVRRP 认证密码，两个节点必须一致。
virtual_ipaddress192.168.2.100Keepalived 提供的 VIP（虚拟 IP），由 MASTER 持有。
track_scriptcheck_haproxy指定用于健康检查的脚本，检测失败时会调节点整权重或触发 VIP 切换。

Keepalived 什么时候触发 VIP 切换

  • Keepalived 的 VIP 切换依赖节点权重变化，只有当 MASTER 节点的实时权重下降到低于 BACKUP 节点时，VIP 才会切换到权重更高的节点。
  • 在 Keepalived 配置文件中，vrrp_script 可以通过 weight 动态调整节点权重：正值会增加节点权重，负值会降低节点权重。
  • 当 Keepalived 脚本检测失败时，节点权重会根据 weight 设置下降，如果下降后 MASTER 节点的权重低于 BACKUP 节点，VIP 就会切换。
  • 当 Keepalived 脚本检测成功时，且连续检测成功的次数达到 rise 次后，节点权重会恢复为初始值，原 MASTER 节点可能会重新成为 MASTER。
  • Keepalived 的 weight 必须设置足够大，否则即使 Keepalived 脚本检测失败，MASTER 节点的权重仍可能比 BACKUP 节点高，从而导致不会触发 VIP 切换。

Keepalived 调整节点权重的细节

  • Keepalived 不会因为检测脚本持续失败而反复扣减节点权重，只有当检测脚本的检测结果从 "成功" 变为 "失败" 时，才会触发一次节点权重扣减。
  • 也就是说，第一次检测被判定为失败，会执行一次 weight 扣减；当后续检测脚本继续失败时，由于节点已经处于失败状态，不会再重复扣减节点权重。
  • 当检测脚本恢复成功后，Keepalived 会依据 rise 参数进行节点权重恢复。当检测脚本连续成功达到 rise 次后，节点权重会恢复到初始值。
  • 简而言之，Keepalived 的节点权重扣减是一次性的，直到检测脚本恢复成功，才再次生效。同样的，在节点处于健康状态期间，检测脚本即便持续成功，也不会重复增加节点权重。

在第一个节点（比如 node1）中，创建 Keepalived 的配置文件，请自行更改 interface（网卡接口名称）与 virtual_ipaddress（虚拟 IP）配置项

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# 创建配置文件，写入以下配置内容
# vim /usr/local/keepalived/etc/keepalived/keepalived.conf
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! Configuration File for keepalived

global_defs {
    router_id k8s
}

vrrp_script check_haproxy {
    script "/usr/local/keepalived/etc/keepalived/scripts/haproxy_check.sh"
    interval 2
    weight -100
    fall 3
    rise 2
}

vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface enp0s3
    virtual_router_id 51
    priority 250
    advert_int 1

    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass ceb1b3ec013d66163d6ab
    }

    virtual_ipaddress {
        192.168.2.100
    }

    track_script {
        check_haproxy
    }
}

在第二个节点（比如 node2）中，创建 Keepalived 的配置文件，请自行更改 interface（网卡接口名称）与 virtual_ipaddress（虚拟 IP）配置项

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# 创建配置文件，写入以下配置内容
# vim /usr/local/keepalived/etc/keepalived/keepalived.conf
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! Configuration File for keepalived

global_defs {
    router_id k8s
}

vrrp_script check_haproxy {
    script "/usr/local/keepalived/etc/keepalived/scripts/haproxy_check.sh"
    interval 2
    weight -100
    fall 3
    rise 2
}

vrrp_instance VI_1 {
    state BACKUP
    interface enp0s3
    virtual_router_id 51
    priority 200
    advert_int 1

    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass ceb1b3ec013d66163d6ab
    }

    virtual_ipaddress {
        192.168.2.100
    }

    track_script {
        check_haproxy
    }
}

启动服务

设置开机自启动 Keepalived 服务

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# 更新系统配置
# systemctl daemon-reload

# 开机自启动Keepalived
# systemctl enable keepalived

立刻启动 Keepalived 服务

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# 启动Keepalived
# systemctl start keepalived

# 查看Keepalived的运行状态
# systemctl status keepalived

当 Keepalived 的配置文件发生变更后，可以重启服务让其生效

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# 重启Keepalived
# systemctl restart keepalived

验证高可用性

验证目标

本节旨在验证 HaProxy + Keepalived 是否能够实现双机主备（即双机热备）高可用机制。具体而言，当第一个 Master 节点上的 HaProxy 发生宕机时，Keepalived 能够将虚拟 IP（VIP）自动切换到第二个 Master 节点上。当第一个 Master 节点上的 HaProxy 恢复运行时，虚拟 IP（VIP）会自动切换回第一个 Master 节点上。

  • (1) 在第一个节点（比如 node1）中，查看指定网卡（比如 enp0s3）的详细 IP 地址与状态信息，请自行更改网卡接口名称
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# 查看网卡的详细信息
# ip a s enp0s3

输出示例如下，可以看到 VIP（虚拟 IP）地址 192.168.2.100 绑定了网卡接口 enp0s3

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2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 08:00:27:de:6f:6b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.2.191/24 brd 192.168.2.255 scope global noprefixroute dynamic enp0s3
       valid_lft 42617sec preferred_lft 42617sec
    inet 192.168.2.100/32 scope global enp0s3
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8b9e:77d3:4d79:eab9/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::6c1a:25c4:bdbd:dad3/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8dee:f54a:fcd2:369b/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
  • (2) 在第一个节点（比如 node1）中，关闭 HaProxy 服务，并查看 Keepalived 的运行状态
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# 关闭Haproxy
# systemctl stop haproxy
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# 查看Keepalived的运行状态
# systemctl status keepalived

输出示例如下，可以看到 Keepalived 扣减了当前节点的权重（计算公式：250 - 100 = 150），同时 VIP 也被移除了

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11月 08 14:14:40 node1 Keepalived_vrrp[30483]: Sending gratuitous ARP on enp0s3 for 192.168.2.100
11月 08 14:14:40 node1 Keepalived_vrrp[30483]: Sending gratuitous ARP on enp0s3 for 192.168.2.100
11月 08 14:18:02 node1 Keepalived_vrrp[30483]: Script `check_haproxy` now returning 1
11月 08 14:18:06 node1 Keepalived_vrrp[30483]: VRRP_Script(check_haproxy) failed (exited with status 1)
11月 08 14:18:06 node1 Keepalived_vrrp[30483]: (VI_1) Changing effective priority from 250 to 150
11月 08 14:18:09 node1 Keepalived_vrrp[30483]: (VI_1) Master received advert from 192.168.2.148 with higher priority 200, ours 150
11月 08 14:18:09 node1 Keepalived_vrrp[30483]: (VI_1) Entering BACKUP STATE
11月 08 14:18:09 node1 Keepalived_vrrp[30483]: (VI_1) removing VIPs.
  • (3) 在第二个节点（比如 node2）中，查看指定网卡（比如 enp0s3）的详细 IP 地址与状态信息，请自行更改网卡接口名称
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# 查看网卡的详细信息
# ip a s enp0s3

输出示例如下，可以看到 VIP（虚拟 IP）地址 192.168.2.100 绑定了网卡接口 enp0s3，也就是 VIP 成功切换到 BACKUP 节点

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2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 08:00:27:78:05:48 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.2.148/24 brd 192.168.2.255 scope global noprefixroute dynamic enp0s3
       valid_lft 41406sec preferred_lft 41406sec
    inet 192.168.2.100/32 scope global enp0s3
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8b9e:77d3:4d79:eab9/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::6c1a:25c4:bdbd:dad3/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8dee:f54a:fcd2:369b/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
  • (4) 在第一个 Master 节点（比如 node1）中，重新启动 HaProxy 服务，并查看指定网卡（比如 enp0s3）的详细 IP 地址与状态信息，请自行更改网卡接口名称
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# 启动Haproxy
# systemctl start haproxy
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# 查看网卡的详细信息
# ip a s enp0s3

输出示例如下，可以看到 VIP（虚拟 IP）地址 192.168.2.100 又绑定了网卡接口 enp0s3，也就是 VIP 再次切换回 MASTER 节点

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2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 08:00:27:de:6f:6b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.2.191/24 brd 192.168.2.255 scope global noprefixroute dynamic enp0s3
       valid_lft 42617sec preferred_lft 42617sec
    inet 192.168.2.100/32 scope global enp0s3
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8b9e:77d3:4d79:eab9/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::6c1a:25c4:bdbd:dad3/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8dee:f54a:fcd2:369b/64 scope link tentative noprefixroute dadfailed 
       valid_lft forever preferred_lft forever

此时，若再次在第一个 Master 节点（比如 node1）中查看 Keepalived 的运行状态，可以看到 Keepalived 将当前节点的权重恢复为初始值，输出示例如下

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11月 08 14:23:49 node1 Keepalived_vrrp[30483]: VRRP_Script(check_haproxy) succeeded
11月 08 14:23:49 node1 Keepalived_vrrp[30483]: (VI_1) Changing effective priority from 150 to 250
11月 08 14:23:52 node1 Keepalived_vrrp[30483]: Sending gratuitous ARP on enp0s3 for 192.168.2.100
11月 08 14:23:52 node1 Keepalived_vrrp[30483]: Sending gratuitous ARP on enp0s3 for 192.168.2.100
11月 08 14:23:52 node1 Keepalived_vrrp[30483]: Sending gratuitous ARP on enp0s3 for 192.168.2.100

参考资料