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VRRP高可用

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VRRP高可用
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一

VRRP简介

1.1 定义

虚拟路由冗余协议VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备，将虚拟路由设备的IP地址作为用户的默认网关实现与外部网络通信。当网关设备发生故障时，VRRP机制能够选举新的网关设备承担数据流量，从而保障网络的可靠通信。

1.2 目的

随着网络的快速普及和相关应用的日益深入，各种增值业务（如IPTV、视频会议等）已经开始广泛部署，基础网络的可靠性日益成为用户关注的焦点，能够保证网络传输不中断对于终端用户非常重要。
通常，同一网段内的所有主机上都设置一条相同的、以网关为下一跳的缺省路由。主机发往其他网段的报文将通过缺省路由发往网关，再由网关进行转发，从而实现主机与外部网络的通信。当网关发生故障时，本网段内所有以网关为缺省路由的主机将无法与外部网络通信。增加出口网关是提高系统可靠性的常见方法，此时如何在多个出口之间进行选路就成为需要解决的问题。
VRRP的出现很好的解决了这个问题。VRRP能够在不改变组网的情况下，将多台路由设备组成一个虚拟路由器，通过配置虚拟路由器的IP地址为默认网关，实现默认网关的备份。

1.3 优点

1）冗余备份
VRRP可以将多台路由设备配置为缺省网关路由器，当出现单点故障的时候通过备份链路进行业务传输，从而降低网络故障的可能性，保证用户的各种业务不中断传输。
2）负载分担
VRRP可以实现多台设备同时承担业务流量，从而减轻主用设备上数据流量的承载压力，在路由设备之间更均衡地分担流量。

3）联动功能

  • VRRP联动可以监视上行链路的故障。当上行接口或链路故障时，VRRP备份组的Master设备降低优先级，重新进行选举，确保Master路由器为最佳的VRRP路由设备，保证流量的正常转发。

  • VRRP与BFD联动可以提高VRRP备份组中主备设备的切换速度。利用BFD检测速度快的特点，在Master设备和Backup设备之间建立BFD会话并与VRRP备份组进行绑定，实现Master设备和Backup设备之间的链路出现故障时，Backup设备迅速切换为Master，承担网络流量。

二

VRRP基本概念

如下图图1所示，HostA通过Switch1双归到SwitchA和SwitchB。在SwitchA和SwitchB上配置VRRP备份组，对外体现为一台虚拟路由器，实现冗余备份。VRRP协议报文封装在IP报文中，拥有专门的VRRP组播地址。在IP报文头中，源地址为发送报文接口的主IP地址（不是虚拟IP地址），目的地址是224.0.0.18，TTL是255，协议号是112。
主IP地址（Primary IP Address）：从接口的真实IP地址中选出来的一个主用IP地址，通常选择配置的第一个IP地址。

目前，VRRP协议包括两个版本：VRRPv2和VRRPv3。

  • VRRPv2仅适用于IPv4网络；
  • VRRPv3适用于IPv4和IPv6两种网络。

基于不同的网络类型，VRRP可以分为VRRP for IPv4和VRRP for IPv6（简称VRRP6）。

图1 VRRP备份组示意图

在如图1所示的网络中部署VRRP协议，下面结合该图介绍VRRP协议的基本概念：

  • VRRP路由器（VRRP Router）
    运行VRRP协议的设备。
  • 虚拟路由器（Virtual Router）
    又称VRRP备份组，由一个Master设备和多个Backup设备组成，被当作一个共享局域网内主机的缺省网关。如SwitchA和SwitchB共同组成了一个虚拟路由器。
  • Master路由器（Virtual Router Master）
    承担转发报文任务的VRRP设备，如SwitchA。
  • Backup路由器（Virtual Router Backup）
    一组没有承担转发任务的VRRP设备，当Master设备出现故障时，它们将通过竞选成为新的Master设备，如SwitchB。
  • VRID
    虚拟路由器的标识。如SwitchA和SwitchB组成的虚拟路由器的VRID为1。
  • 虚拟IP地址(Virtual IP Address)
    虚拟路由器的IP地址，一个虚拟路由器可以有一个或多个IP地址，由用户配置。如SwitchA和SwitchB组成的虚拟路由器的虚拟IP地址为10.1.1.10/24。
  • IP地址拥有者（IP Address Owner）
    如果一个VRRP设备将虚拟路由器IP地址作为真实的接口地址，则该设备被称为IP地址拥有者。如果IP地址拥有者是可用的，通常它将成为Master。如SwitchA，其接口的IP地址与虚拟路由器的IP地址相同，均为10.1.1.10/24，因此它是这个VRRP备份组的IP地址拥有者。
  • 虚拟MAC地址（Virtual MAC Address）
    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}(VRRP for IPv4)或00-00-5E-00-02-{VRID}(VRRP for IPv6)。当虚拟路由器回应ARP请求时，使用虚拟MAC地址，而不是接口的真实MAC地址。如SwitchA和SwitchB组成的虚拟路由器的VRID为1，因此这个VRRP备份组的MAC地址为00-00-5E-00-01-01。
三

VRRP工作原理

3.1 VRRP的状态机

VRRP协议中定义了三种状态机：

  • 初始状态（Initialize）
  • 活动状态（Master）
  • 备份状态（Backup）
其中，只有处于活动状态的设备才可以转发那些发送到虚拟IP地址的报文。VRRP状态的转换如图2所示。

图2 VRRP状态的转换

  • Initialize
    该状态为VRRP不可用状态，在此状态时设备不会对VRRP报文做任何处理。
    通常刚配置VRRP时或设备检测到故障时会进入Initialize状态。
  • Master
    当VRRP设备处于Master状态时处理发送VRRP通告报文，响应对虚拟IP地址的ARP请求。
    转发目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文，当接收到接口的Shutdown事件时，转为Initialize状态。
  • Backup
    当VRRP设备处于Backup状态时接收Master发送的VRRP通告报文，判断Master的状态是否正常。
    对虚拟IP地址的ARP请求，不做响应，目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文时按照正常二层转发流程进行处理。当接收到MASTER_DOWN_TIMER定时器超时的消息时，Backup状态才会转为Master状态。当接收到接口的Shutdown消息时，转为Initialize状态。

3.2 VRRP工作过程

VRRP的工作过程如下：

  • VRRP备份组中的设备根据优先级选举出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。
  • Master设备周期性向备份组内所有Backup设备发送VRRP通告报文，以公布其配置信息（优先级等）和工作状况。
  • 如果Master设备出现故障，VRRP备份组中的Backup设备将根据优先级重新选举新的Master。
  • VRRP备份组状态切换时，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。

  • 原Master设备故障恢复时，若该设备为IP地址拥有者（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。

四

VRRP心跳线

如下图图3所示，在VRRP+STP场景中，SwitchA和SwitchB上配置VRRP备份组。若与用户相连的Switch1不能转发VRRP协议报文（如配置了未知组播丢弃），或者为了防止VRRP协议报文（心跳报文）所经过的链路不通或不稳定，可以在SwitchA和SwitchB之间部署一条心跳线，用于传递VRRP协议报文。
由于配置了心跳线之后，需要将Interface1和Interface2加入与VRRP备份组相对应的VLAN（例如，VRRP备份组配置在VLANIF100接口下，则需要配置Interface1和Interface2加入VLAN100），SwitchA、SwitchB和Switch1之间会存在环路，因此还需要配置破环协议来破除环路（例如，可以配置STP协议来破除环路）。

图3 VRRP心跳线示意图

五

配置VRRP主备备份示例

5.1 组网需求

如下图图4所示，HostA通过Switch双归属到SwitchA和SwitchB。为保证用户的各种业务在网络传输中不中断，需在SwitchA和SwitchB上配置VRRP主备备份功能。
正常情况下，主机以SwitchA为默认网关接入Internet，当SwitchA故障时，SwitchB接替SwitchA作为网关继续进行工作，实现网关的冗余备份。

SwitchA故障恢复后，其延时20秒通过抢占的方式重新成为Master，承担数据传输。

图4 配置VRRP主备备份组网图
配置AR3：
[Huawei]sysn
[Huawei]sysname AR3
[AR3]interface g0/0/0
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]ip add
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]ip address 10.1.1.2 24
[AR3]interface g0/0/1
[AR3-GigabitEthernet0/0/1]ip add 172.16.2.1 24
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 10.1.1.111
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 preempt-mode
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 priority 120
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 preempt-mode timer delay 60
配置AR4：
sys
[Huawei]sysname AR4
[AR4]interface g0/0/0
[AR4-GigabitEthernet0/0/0]ip address 10.1.1.1 24
[AR4-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1
[AR4-GigabitEthernet0/0/1]ip add 172.16.1.1 24
[AR4-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/0
[AR4-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 10.1.1.111
配置AR2：
sys
[Huawei]sysname AR2
[AR2]interface g0/0/0
[AR2-GigabitEthernet0/0/0]ip add 172.16.2.2 24
[AR2-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1
[AR2-GigabitEthernet0/0/1]ip add 172.16.1.2 24
[AR2]interface g0/0/2
[AR2-GigabitEthernet0/0/2]ip add 192.168.237.135 24
配置OSPF使网络互通：
AR2：
[AR2]ospf 1
[AR2-ospf-1]area 0.0.0.0
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.1.0 0.0.0.255
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.2.0 0.0.0.255
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 192.168.237.0 0.0.0.255
AR3：
[AR3]ospf 1
[AR3-ospf-1]area 0
[AR3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.2.0 0.0.0.255
[AR3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.1.
AR4：
[AR4]ospf 1
[AR4-ospf-1]area 0
[AR4-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.1.0 0.0.0.255
[AR4-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.1.0 0.0.0.
测试结果：
从PC段ping192.168.237.131。
Master节点：
Backup节点：
断掉交换机到master的接口：
Master状态：master切换到备。
测试丢包率：因为测试的是外部服务器，加上设备性能问题，显示丢包有点多。
在生产环境丢包最多不超过2个，或者误丢包，全程用户是无感知的。
切回到正常状态：


本文作者：彭 杰(上海新炬中北团队）

本文来源：“IT那活儿”公众号

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