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VRRP高可用

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VRRP高可用
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一

VRRP簡介

1.1 定義

虛擬路由冗余協議VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）通過把幾臺路由設備聯合組成一臺虛擬的路由設備，將虛擬路由設備的IP地址作為用戶的默認網關實現與外部網絡通信。當網關設備發生故障時，VRRP機制能夠選舉新的網關設備承擔數據流量，從而保障網絡的可靠通信。

1.2 目的

隨著網絡的快速普及和相關應用的日益深入，各種增值業務（如IPTV、視頻會議等）已經開始廣泛部署，基礎網絡的可靠性日益成為用戶關注的焦點，能夠保證網絡傳輸不中斷對于終端用戶非常重要。
通常，同一網段內的所有主機上都設置一條相同的、以網關為下一跳的缺省路由。主機發往其他網段的報文將通過缺省路由發往網關，再由網關進行轉發，從而實現主機與外部網絡的通信。當網關發生故障時，本網段內所有以網關為缺省路由的主機將無法與外部網絡通信。增加出口網關是提高系統可靠性的常見方法，此時如何在多個出口之間進行選路就成為需要解決的問題。
VRRP的出現很好的解決了這個問題。VRRP能夠在不改變組網的情況下，將多臺路由設備組成一個虛擬路由器，通過配置虛擬路由器的IP地址為默認網關，實現默認網關的備份。

1.3 優點

1）冗余備份
VRRP可以將多臺路由設備配置為缺省網關路由器，當出現單點故障的時候通過備份鏈路進行業務傳輸，從而降低網絡故障的可能性，保證用戶的各種業務不中斷傳輸。
2）負載分擔
VRRP可以實現多臺設備同時承擔業務流量，從而減輕主用設備上數據流量的承載壓力，在路由設備之間更均衡地分擔流量。

3）聯動功能

  • VRRP聯動可以監視上行鏈路的故障。當上行接口或鏈路故障時，VRRP備份組的Master設備降低優先級，重新進行選舉，確保Master路由器為最佳的VRRP路由設備，保證流量的正常轉發。

  • VRRP與BFD聯動可以提高VRRP備份組中主備設備的切換速度。利用BFD檢測速度快的特點，在Master設備和Backup設備之間建立BFD會話并與VRRP備份組進行綁定，實現Master設備和Backup設備之間的鏈路出現故障時，Backup設備迅速切換為Master，承擔網絡流量。

二

VRRP基本概念

如下圖圖1所示，HostA通過Switch1雙歸到SwitchA和SwitchB。在SwitchA和SwitchB上配置VRRP備份組，對外體現為一臺虛擬路由器，實現冗余備份。VRRP協議報文封裝在IP報文中，擁有專門的VRRP組播地址。在IP報文頭中，源地址為發送報文接口的主IP地址（不是虛擬IP地址），目的地址是224.0.0.18，TTL是255，協議號是112。
主IP地址（Primary IP Address）：從接口的真實IP地址中選出來的一個主用IP地址，通常選擇配置的第一個IP地址。

目前，VRRP協議包括兩個版本：VRRPv2和VRRPv3。

  • VRRPv2僅適用于IPv4網絡；
  • VRRPv3適用于IPv4和IPv6兩種網絡。

基于不同的網絡類型，VRRP可以分為VRRP for IPv4和VRRP for IPv6（簡稱VRRP6）。

圖1 VRRP備份組示意圖

在如圖1所示的網絡中部署VRRP協議，下面結合該圖介紹VRRP協議的基本概念：

  • VRRP路由器（VRRP Router）
    運行VRRP協議的設備。
  • 虛擬路由器（Virtual Router）
    又稱VRRP備份組，由一個Master設備和多個Backup設備組成，被當作一個共享局域網內主機的缺省網關。如SwitchA和SwitchB共同組成了一個虛擬路由器。
  • Master路由器（Virtual Router Master）
    承擔轉發報文任務的VRRP設備，如SwitchA。
  • Backup路由器（Virtual Router Backup）
    一組沒有承擔轉發任務的VRRP設備，當Master設備出現故障時，它們將通過競選成為新的Master設備，如SwitchB。
  • VRID
    虛擬路由器的標識。如SwitchA和SwitchB組成的虛擬路由器的VRID為1。
  • 虛擬IP地址(Virtual IP Address)
    虛擬路由器的IP地址，一個虛擬路由器可以有一個或多個IP地址，由用戶配置。如SwitchA和SwitchB組成的虛擬路由器的虛擬IP地址為10.1.1.10/24。
  • IP地址擁有者（IP Address Owner）
    如果一個VRRP設備將虛擬路由器IP地址作為真實的接口地址，則該設備被稱為IP地址擁有者。如果IP地址擁有者是可用的，通常它將成為Master。如SwitchA，其接口的IP地址與虛擬路由器的IP地址相同，均為10.1.1.10/24，因此它是這個VRRP備份組的IP地址擁有者。
  • 虛擬MAC地址（Virtual MAC Address）
    虛擬路由器根據VRID生成的MAC地址。一個虛擬路由器擁有一個虛擬MAC地址，格式為：00-00-5E-00-01-{VRID}(VRRP for IPv4)或00-00-5E-00-02-{VRID}(VRRP for IPv6)。當虛擬路由器回應ARP請求時，使用虛擬MAC地址，而不是接口的真實MAC地址。如SwitchA和SwitchB組成的虛擬路由器的VRID為1，因此這個VRRP備份組的MAC地址為00-00-5E-00-01-01。
三

VRRP工作原理

3.1 VRRP的狀態機

VRRP協議中定義了三種狀態機：

  • 初始狀態（Initialize）
  • 活動狀態（Master）
  • 備份狀態（Backup）
其中，只有處于活動狀態的設備才可以轉發那些發送到虛擬IP地址的報文。VRRP狀態的轉換如圖2所示。

圖2 VRRP狀態的轉換

  • Initialize
    該狀態為VRRP不可用狀態，在此狀態時設備不會對VRRP報文做任何處理。
    通常剛配置VRRP時或設備檢測到故障時會進入Initialize狀態。
  • Master
    當VRRP設備處于Master狀態時處理發送VRRP通告報文，響應對虛擬IP地址的ARP請求。
    轉發目的MAC地址為虛擬MAC地址的IP報文，當接收到接口的Shutdown事件時，轉為Initialize狀態。
  • Backup
    當VRRP設備處于Backup狀態時接收Master發送的VRRP通告報文，判斷Master的狀態是否正常。
    對虛擬IP地址的ARP請求，不做響應，目的IP地址為虛擬IP地址的IP報文時按照正常二層轉發流程進行處理。當接收到MASTER_DOWN_TIMER定時器超時的消息時，Backup狀態才會轉為Master狀態。當接收到接口的Shutdown消息時，轉為Initialize狀態。

3.2 VRRP工作過程

VRRP的工作過程如下：

  • VRRP備份組中的設備根據優先級選舉出Master。Master設備通過發送免費ARP報文，將虛擬MAC地址通知給與它連接的設備或者主機，從而承擔報文轉發任務。
  • Master設備周期性向備份組內所有Backup設備發送VRRP通告報文，以公布其配置信息（優先級等）和工作狀況。
  • 如果Master設備出現故障，VRRP備份組中的Backup設備將根據優先級重新選舉新的Master。
  • VRRP備份組狀態切換時，Master設備由一臺設備切換為另外一臺設備，新的Master設備會立即發送攜帶虛擬路由器的虛擬MAC地址和虛擬IP地址信息的免費ARP報文，刷新與它連接的主機或設備中的MAC表項，從而把用戶流量引到新的Master設備上來，整個過程對用戶完全透明。

  • 原Master設備故障恢復時，若該設備為IP地址擁有者（優先級為255），將直接切換至Master狀態。若該設備優先級小于255，將首先切換至Backup狀態，且其優先級恢復為故障前配置的優先級。

四

VRRP心跳線

如下圖圖3所示，在VRRP+STP場景中，SwitchA和SwitchB上配置VRRP備份組。若與用戶相連的Switch1不能轉發VRRP協議報文（如配置了未知組播丟棄），或者為了防止VRRP協議報文（心跳報文）所經過的鏈路不通或不穩定，可以在SwitchA和SwitchB之間部署一條心跳線，用于傳遞VRRP協議報文。
由于配置了心跳線之后，需要將Interface1和Interface2加入與VRRP備份組相對應的VLAN（例如，VRRP備份組配置在VLANIF100接口下，則需要配置Interface1和Interface2加入VLAN100），SwitchA、SwitchB和Switch1之間會存在環路，因此還需要配置破環協議來破除環路（例如，可以配置STP協議來破除環路）。

圖3 VRRP心跳線示意圖

五

配置VRRP主備備份示例

5.1 組網需求

如下圖圖4所示，HostA通過Switch雙歸屬到SwitchA和SwitchB。為保證用戶的各種業務在網絡傳輸中不中斷，需在SwitchA和SwitchB上配置VRRP主備備份功能。
正常情況下，主機以SwitchA為默認網關接入Internet，當SwitchA故障時，SwitchB接替SwitchA作為網關繼續進行工作，實現網關的冗余備份。

SwitchA故障恢復后，其延時20秒通過搶占的方式重新成為Master，承擔數據傳輸。

圖4 配置VRRP主備備份組網圖
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使網絡互通：
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.
測試結果：
從PC段ping192.168.237.131。
Master節點：
Backup節點：
斷掉交換機到master的接口：
Master狀態：master切換到備。
測試丟包率：因為測試的是外部服務器，加上設備性能問題，顯示丟包有點多。
在生產環境丟包最多不超過2個，或者誤丟包，全程用戶是無感知的。
切回到正常狀態：


本文作者：彭 杰(上海新炬中北團隊）

本文來源：“IT那活兒”公眾號

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