VRRP原理及配置

 

前言

普通网络存在的问题：在如下局域网络中，终端用户存在被孤立的可能。一旦交换机的三层虚接口故障，局域网用户就被孤立，不能实现与外部网络的通信。VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）正是为了解决此问题而诞生。

一、VRRP概述

• Virtual Router Redundancy Protocol，也即虚拟路由器冗余协议
• 利用VRRP，一组路由器（同一个LAN中的接口）协同工作，但只有一个处于Master 状态，处于该状态的路由器（的接口）承担实际的数据流量转发任务。在一个VRRP 组内的多个路由器接口共用一个虚拟IP地址，该地址被作为局域网内所有主机的缺 省网关地址。 
• VRRP决定哪个路由器是Master，Master路由器负责接收发送至用户网关的数据包 并进行转发，以及响应PC对于其网关IP地址的ARP请求。
• Backup路由器侦听Master路由器的状态，并在Master路由器发生故障时，接替其工 作，从而保证业务流量的平滑切换。

两种工作模式的VRRP：

• 标准协议模式：基于RFC 实现的VRRP。
• 负载均衡模式：在标准协议模式的基础上进行了扩展，实现了负载均衡功能。

RFC：Request For Comments（RFC），是一系列以编号排定的文件。文件收集了有关互联网相关信息，以及UNIX和互联网社区的软件文件。RFC文件是由Internet Society（ISOC）赞助发行。基本的互联网通信协议都有在RFC文件内详细说明。RFC文件还额外加入许多在标准内的论题，例如对于互联网新开发的协议及发展中所有的记录。因此几乎所有的互联网标准都有收录在RFC文件之中。（源自百度百科）

二、VRRP术语

VRRP路由器： 

• 运行VRRP的路由器。一台VRRP路由器（的接口）可以同时参与到多个VRRP 组中，在不同的组中，一台VRRP路由器可以充当不同的角色。 

VRRP组： 

• 一个VRRP组由多个VRRP路由器组成，使用相同的VRID（Virtual Router ID， 虚拟路由器ID）进行标识，属于同一VRRP组的VRRP路由器互相交换信息，每 一个VRRP组中只能有一个Master。 

虚拟路由器： 

• 对于每一个VRRP组，抽象出来的一个逻辑路由器，该路由器充当网络用户的 网关，该路由器并非真实存在，事实上对于用户而言，只需知道虚拟路由器的 IP，至于具体的虚拟路由器的角色由谁来承担、数据转发任务由谁来承担、 Master故障后谁来接替，这是VRRP的工作。

虚拟IP地址、MAC地址： 

• 虚拟IP地址就是虚拟路由器的IP地址，该地址实际上就是用户的网关地址。 
• 虚拟MAC地址是虚拟路由器根据VRID生成的MAC地址。一个虚拟路由器拥有 一个虚拟MAC地址，格式为：00-00-5E-00-01-{VRID}。 

Master、Backup路由器： 

• Master路由器：在VRRP组中实际转发数据包的路由器，在每一个VRRP组中， 仅有Master响应对虚拟IP地址的ARP请求。Master路由器同时以一定的时间间 隔发送VRRP消息，以便通知Backup路由器自己的存活情况。 
• Backup路由器：处于监听状态的路由器，一旦Master路由器出现故障， Backup路由器就开始接替工作。 
• 选举依据：先比较接口VRRP优先级（比大），如果相等，则比较接口IP地址 （比大）。

三、虚拟MAC地址

通过VRRP形成的虚拟路由器使用虚拟IP地址和虚拟MAC与网络中的PC进行通信。 虚拟MAC的格式如下：最后1个字节的VRID表示虚拟路由器ID的16进制，例如VRID 是1，虚拟MAC地址为00-00-5E-00-01-01。

四、VRRP状态机

VRRP协议的状态共有三种，分别是Initialize，Master，Backup，初始状态都是 Initialize，通过比较优先级产生Master和Backup，在规定时间内，Backup若没有收 到Master发来的心跳报文，将切换为Master。

 五、Master / Backup 路由器

• VRRP通过协议报文选举Master，除Master外，其它路由器作为Backup对Master进行备份。
• Master 充当Virtual Router完成网关的所有功能。
• Virtual Router由LAN上唯一的Virtual Router ID标识。并具有如下的MAC地址：00-00-5E-00-01-{vrid}.

Master路由器：

• 定时（Advertisement Interval）发送VRRP通告报文，以便向Backup路由器告 知自己的存活情况。 
• 以虚拟MAC地址响应其他设备对虚拟IP地址的ARP请求。
•  转发目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文。 
• 如果它是这个虚拟IP地址的拥有者（接口实际IP地址为虚拟IP地址），则接收 目的IP地址为这个虚拟IP地址的IP报文。否则，丢弃这个IP报文。 
• 如果收到比自己优先级大的报文，立即成为Backup。
• 如果收到与自己优先级相等的VRRP报文且本地接口IP地址小于对端接口IP， 立即成为Backup。

Backup路由器： 

• 接收Master设备发送的VRRP通告报文，判断Master设备的状态是否正常。 
• 对虚拟IP地址的ARP请求，不做响应。 
• 丢弃目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文。 
• 如果收到优先级和自己相同或者比自己大的报文，则重置 Master_Down_Interval定时器，不进一步比较IP地址。
• 如果收到比自己优先级小的报文且该报文优先级是0时，定时器时间设置为 Skew_time（偏移时间），如果该报文优先级不是0，丢弃报文，立刻成为 Master。

Master_Down_Interval定时器：Backup设备在该定时器超时后仍未收到通告报文，则 会转换为Master状态。计算公式如下：Master_Down_Interval=(3* Advertisement_Interval) + Skew_time。其中，Skew_Time=(256–Priority)/256。

六、VRRP报文

• VRRP使用IP报文作为传输协议进行协议报文的传送。其协议号为112。
• VRRP协议报文使用固定的组播地址224.0.0.18进行发送。

VRRP目前只有Advertisement报文，其格式如下：

七、VRRP的工作过程

1. VRRP组中的设备选举出Master。Master设备通过发送免费ARP报文，将虚拟MAC 地址通知给与它连接的设备或者主机，从而承担报文转发任务。 
2. Master设备周期性向备份组内所有Backup设备发送VRRP通告报文。 
3. 如果Master设备出现故障，VRRP备份组中的Backup设备重新选举新的Master。
4. VRRP组状态切换时，Master设备由一台设备切换为另外一台设备，新的Master设 备会立即发送携带虚拟路由器的虚拟MAC地址和虚拟IP地址信息的免费ARP报文， 刷新与它连接的主机或设备中的MAC表项，从而把用户流量引到新的Master设备 上来，整个过程对用户完全透明。 
5. 原Master设备故障恢复时，若该设备为IP地址拥有者（则其优先级为255），将直 接切换至Master状态。若该设备优先级小于255，将首先切换至Backup状态，且其 优先级恢复为故障前配置的优先级。 
6. Backup设备的优先级高于Master设备时，由Backup设备的工作方式（抢占方式和 非抢占方式）决定是否重新选举Master。

八、抢占（Preempt）

• R2加入到网络后,接口的VRRP状态首先过渡到Backup,在收到R1发送的 VRRP报文后,由于本地接口的VRRP优先级大于报文中的优先级，因此如 果设备激活Preempt（缺省启用）则可立即抢占Master的角色，过渡到 Master状态，R2开始发送VRRP消息。
• 可修改抢占延迟时间，缺省该时间为0s。

九、VRRP配置

设定虚拟IP地址是否可以使用ping命令ping通

vrrp ping-enable

注意：请在备份组建立之前进行设定，否则系统不允许再使用此命令来设定虚拟IP地址是否可以使用ping命令ping通。

设置虚拟IP地址和MAC地址的对应形式

vrrp method { real-mac| virtual-mac} 

• Real-mac表示使用以太网交换机接口的实际MAC地址和虚拟IP地址映射
• Virtual-mac表示使用虚拟MAC地址和虚拟IP地址映射

注意：备份组的IP地址和MAC地址的对应形式需要在配置备份组之前就设定。如果在交换机上已经创建了备份组，系统将不允许在设置备份组的IP地址MAC地址的对应关系。

添加或删除虚拟IP地址

vrrp vrid virtual-router-ID virtual-ip virtual-address

undo vrrp vrid virtual-router-ID [ virtual-ip virtual-address ]

设置备份组的优先级

vrrp vrid vrid priority priority

• 优先级取值范围为0～255，供用户配置使用的为1～254，0保留给特殊用途使用，255保留给虚拟IP地址拥有者使用。缺省优先级为100
• IP地址拥有者的优先级不可配置

设置备份组的抢占方式和延迟时间

vrrp vrid virtual-router-ID preempt-mode [delay delay-value]

• 缺省方式是抢占模式，延迟时间为0

设置备份组的认证方式和认证字

vrrp authentication-mode authentication-type authentication-key

VRRP提供三种认证方式：

• NONE：不进行认证，仅用于安全的网络
• SIMPLE：简单字符认证，用于可能收到安全威胁的网络，认证字符长度不超过8字符
• MD5：利用Authentication Header提供的认证方式和MD5算法来认证，通常用于安全要求较高，但网络本身存在安全隐患的网络

设置备份组的定时器

vrrp vrid virtual-router-ID timer advertise adver-interval

• Master-down-interval为3倍advertise-interval

设置监视指定接口

vrrp vrid virtual-router-ID track vlan-interface interface-num [ reduced value-reduced ]

• H3C系列交换机还可以通过监听接口状况实现备份功能，当监视接口出现故障时，自动降低交换机所在备份组的优先级，从而实现备份

十、VRRP显示和调试

• 显示VRRP的状态信息

display vrrp verbose

display vrrp [ interface vlan-interface interface-num ] [ virtual-router-ID]

 

• 打开/关闭VRRP调试开关

debugging vrrp{ state | packet }

undo debugging vrrp{ state | packet }

十一、VRRP配置举例

网络结构图

两个三层交换机运行VRRP协议

十二、单备份组的实现 

在上述网络结构中，配置一个备份组，虚拟路由器ID为1，虚拟IP地址为10.0.0.1

• 配置Switch_A：

[Switch_A-vlan-interface2] vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.1

[Switch_A-vlan-interface2] vrrp vrid 1 priority 100

• 配置Switch B：

[Switch_B-vlan-interface2] vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.1

其它配置如路由，虚接口等配置请参见相关部分

十三、多备份组实现负载分担

同一网络结构图，配置两个备份组，其ID为1和2，虚拟网关分别为10.0.0.1和10.0.0.4正常情况下，Switch_A为1组的Master，Switch_B为2组的Master。局域网内部分用户以10.0.0.1为缺省网关，部分用户以10.0.0.4为缺省网关。

• 配置Switch_A：

[Switch_A-vlan-interface2] vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.1
[Switch_A-vlan-interface2] vrrp vrid 1 priority 120
[Switch_A-vlan-interface2] vrrp vrid 2 virtual-ip 10.0.0.4

• 配置Switch_B：

[Switch_B-vlan-interface2] vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.1
[Switch_B-vlan-interface2] vrrp vrid 2 virtual-ip 10.0.0.4
[Switch_B-vlan-interface2] vrrp vrid 2 priority 120

十四、VRRP故障诊断与排错

VRRP配置比较简单，通常通过查看配置文件和调试信息即可完成故障排除

• 故障之一：控制台上频频给出配置错误的提示

这表明交换机收到了错误的VRRP报文

• 故障之二：同一个备份组出现多个Master交换机

多个Master并存时间较短，属于正常情况

多个Master长时间共存，有可能是Master之间收不到VRRP报文，或者收到的报文不合法

• 故障之三：VRRP的状态频繁转换

备份组的定时器时间间隔设置太小

加大定时器时间间隔

设置抢占延迟时间