VRRP概述

随着Internet的发展，人们对网络的可靠性的要求越来越高。对于局域网用户来说，能够时刻与外部网络保持联系是非常重要的。

通常情况下，内部网络中的所有主机都设置一条相同的缺省路由，指向出口网关（即图1中的路由器RouterA），实现主机与外部网络的通信。当出口网关发生故障时，主机与外部网络的通信就会中断。

配置多个出口网关是提高系统可靠性的常见方法，但局域网内的主机设备通常不支持动态路由协议，如何在多个出口网关之间进行选路是个问题。

IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组）推出了VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）虚拟路由冗余协议，来解决局域网主机访问外部网络的可靠性问题。

VRRP是一种容错协议，它通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备，并通过一定的机制来保证当主机的下一跳设备出现故障时，可以及时将业务切换到其它设备，从而保持通讯的连续性和可靠性。

使用VRRP的优势在于：既不需要改变组网情况，也不需要在主机上配置任何动态路由或者路由发现协议，就可以获得更高可靠性的缺省路由。

VRRP协议对应的是RFC3768，该协议仅适用于IPv4。

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VRRP的基本概念

以下是与VRRP协议相关的基本概念：

概念	解释
VRRP路由器（VRRP Router	运行VRRP的设备，它可能属于一个或多个虚拟路由器。
虚拟路由器（Virtual Router）	由VRRP管理的抽象设备，又称为VRRP备份组，被当作一个共享局域网内主机的缺省网关。  它包括了一个虚拟路由器标识符和一组虚拟IP地址。
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。
IP地址拥有者（IP Address Owner）	如果一个VRRP路由器将虚拟路由器的IP地址作为真实的接口地址，则该设备是IP地址拥有者。  当这台设备正常工作时，它会响应目的地址是虚拟IP地址的报文，如ping、TCP连接等。
虚拟MAC地址	是虚拟路由器根据虚拟路由器ID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}。  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。
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。  VRRP广播报文使用主IP地址作为IP报文的源地址。
Master路由器（Virtual Router Master）	是承担转发报文或者应答ARP请求的VRRP路由器，转发报文都是发送到虚拟IP地址的。  如果IP地址拥有者是可用的，通常它将成为Master。
Backup路由器（Virtual Router Backup）	一组没有承担转发任务的VRRP路由器，当Master设备出现故障时，它们将通过竞选成为新的Master。
抢占模式	在抢占模式下，如果Backup的优先级比当前Master的优先级高，将主动将自己升级成Master。

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VRRP的工作原理

VRRP将局域网的一组路由器构成一个备份组，相当于一台虚拟路由器。局域网内的主机只需要知道这个虚拟路由器的IP地址，并不需知道具体某台设备的IP地址，将网络内主机的缺省网关设置为该虚拟路由器的IP地址，主机就可以利用该虚拟网关与外部网络进行通信。

VRRP将该虚拟路由器动态关联到承担传输业务的物理路由器上，当该物理路由器出现故障时，再次选择新路由器来接替业务传输工作，整个过程对用户完全透明，实现了内部网络和外部网络不间断通信。

如图1所示，虚拟路由器的组网环境如下：

• RouterA、RouterB和RouterC属于同一个VRRP组，组成一个虚拟路由器，这个虚拟路由器有自己的IP地址10.110.10.1。虚拟IP地址可以直接指定，也可以借用该VRRP组所包含的路由器上某接口地址。

• 物理路由器RouterA、RouterB和RouterC的实际IP地址分别是10.110.10.5、10.110.10.6和10.110.10.7。

• 局域网内的主机只需要将缺省路由设为10.110.10.1即可，无需知道具体路由器上的接口地址。

主机利用该虚拟网关与外部网络通信。路由器工作机制如下：

• 根据优先级的大小挑选Master设备。Master的选举有两种方法：

  • 比较优先级的大小，优先级高者当选为Master。

  • 当两台优先级相同的路由器同时竞争Master时，比较接口IP地址大小。接口地址大者当选为Master。

• 其它路由器作为备份路由器，随时监听Master的状态。

  • 当主路由器正常工作时，它会每隔一段时间（Advertisement_Interval）发送一个VRRP组播报文，以通知组内的备份路由器，主路由器处于正常工作状态。

  • 当组内的备份路由器一段时间（Master_Down_Interval）内没有接收到来自主路由器的报文，则将自己转为主路由器。一个VRRP组里有多台备份路由器时，短时间内可能产生多个Master，此时，路由器将会将收到的VRRP报文中的优先级与本地优先级做比较。从而选取优先级高的设备做Master。

从上述分析可以看到，主机不需要增加额外工作，与外界的通信也不会因某台路由器故障而受到影响。

注：1.什么是Master_Down_Timer？====主路由器死亡时间间隔，如果此计时器超时，那么Backup路由器就会宣布主路由器死亡。

2.什么是Master_Down_Interval？====Master_Down_Interval = （3*Advertisement_Interval）+ Skew_time举例来说，一个VRRP实例（也就是一个VRRP虚器）的优先级是100，报文发送间隔是1秒，那么Master_Down_Interval = 3*1s + （256-100）/256s = 3.609秒。

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VRRP协议介绍

• VRRP的报文结构
• VRRP的状态机

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VRRP的报文结构

VRRP协议只有一种报文，即VRRP报文。VRRP报文用来将Master设备的优先级和状态通告给同一虚拟路由器的所有VRRP路由器。

VRRP报文封装在IP报文中，发送到分配给VRRP的IPv4组播地址。在IP报文头中，源地址为发送报文的主接口地址（不是虚拟地址或辅助地址），目的地址是224.0.0.18，TTL是255，协议号是112。VRRP报文的结构如图1所示。

图1 VRRP报文结构 

各字段的含义：

• Version：协议版本号，现在的VRRP为版本2。

• Type：报文类型，只有一种取值，1，表示Advertisement。

• Virtual Rtr ID（VRID）：虚拟路由器ID，取值范围是1～255。

• Priority：发送报文的VRRP路由器在虚拟路由器中的优先级。取值范围是0～255，其中可用的范围是1～254。0表示设备停止参与VRRP，用来使备份路由器尽快成为主路由器，而不必等到计时器超时；255则保留给IP地址拥有者。缺省值是100。

• Count IP Addrs：VRRP广播中包含的虚拟IP地址个数。

• Authentication Type：验证类型，协议中指定了3种类型：

  • 0：Non Authentication

  • 1：Simple Text Password

  • 2：Reserved

  各字段的含义：

  • RFC2338中Authentication Type取值如下：

  • 0 - No Authentication

  • 1 - Simple Text Password

  • 2 - IP Authentication Header

  • 随后的RFC3768中将Authentication Type取值变更如下：

    • 0 - No Authentication

    • 1 - Reserved

    • 2 - Reserved

    说明：

    变更的原因：实践和分析证明，这些认证方式不能提供真正的安全。而限制TTL＝255可以阻止大多数对本地脆弱性的攻击。

  • 实现了Simple Text Password认证方式

  • Advertisement Interval：发送通告报文的时间间隔，缺省为1秒。

  • Checksum：校验和。

  • IP Address(es)：虚拟路由器IP地址，地址个数是Count IP Addrs的值。

  • Authentication Data：验证字，目前只有明文认证才用到该部分，对于其它认证方式，一律填0。

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  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状态转换如图1所示。

  

  Initialize

  设备启动时进入此状态，当收到接口Startup的消息，将转入Backup或Master状态（IP地址拥有者的接口优先级为255，直接转为Master）。在此状态时，不会对VRRP报文做任何处理。

  Master

  当路由器处于Master状态时，它将会做下列工作：

  • 定期发送VRRP报文。

  • 以虚拟MAC地址响应对虚拟IP地址的ARP请求。

  • 转发目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文。

  • 如果它是这个虚拟IP地址的拥有者，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则转为Backup状态。

  • 如果收到优先级和自己相同的报文，并且发送端的主IP地址比自己的主IP地址大，则转为Backup状态。

  • 当接收到接口的Shutdown事件时，转为Initialize。

  Backup

  当路由器处于Backup状态时，它将会做下列工作：

  • 接收Master发送的VRRP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。

  • 丢弃目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文。

  • 丢弃目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文。

  • Backup状态下如果收到比自己优先级小的报文时，丢弃报文，不重置定时器；如果收到优先级和自己相同的报文，则重置定时器，不进一步比较IP地址。

  • 当Backup接收到MASTER_DOWN_TIMER定时器超时的事件时，才会转为Master（Master_Down_Timer）。

  • 当接收到接口的Shutdown事件时，转为Initialize。

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  提供的VRRP功能，包括主备备份、负载分担备份、VRRP监视接口状态、VRRP快速切换等。

  • 主备备份
  • 负载分担
  • 监视接口状态
  • VRRP快速切换
  • 虚拟IP地址Ping开关
  • VRRP的安全功能
  • VRRP平滑倒换
  • VRRP管理组
  • mVRRP

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  主备备份

  这是VRRP提供IP地址备份功能的基本方式。主备备份方式需要建立一个虚拟路由器，该虚拟路由器包括一个Master和若干Backup设备。

  • 正常情况下，业务全部由Master承担。

  • Master出现故障时，Backup设备接替工作。

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  负载分担

  现在允许一台路由器为多个作备份。通过多虚拟路由器设置可以实现负载分担。

  负载分担方式是指多台路由器同时承担业务，因此需要建立两个或更多的备份组。

  负载分担方式具有以下特点。

  • 每个备份组都包括一个Master设备和若干Backup设备。

  • 各备份组的Master可以不同。

  • 同一台路由器可以加入多个备份组，在不同备份组中有不同的优先级。

  

  如图1所示：

  • 配置两个备份组：组1和组2；

  • RouterA在备份组1中作为Master，在备份组2中作为Backup；

  • RouterB在备份组1和2中都作为Backup；

  • RouterC在备份组2中作为Master，在备份组1中作为Backup。

  • 一部分主机使用备份组1作网关，另一部分主机使用备份组2作为网关。

  这样，以达到分担数据流，而又相互备份的目的。

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  监视接口状态

  VRRP可以监视所有接口的状态。当被监视的接口Down或Up时，该路由器的优先级会自动降低或升高一定的数值，使得备份组中各设备优先级高低顺序发生变化，VRRP路由器重新进行Master竞选。

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  VRRP快速切换

  双向转发检测BFD（Bidirectional Forwarding Detection）机制，能够快速检测、监控网络中链路或者IP路由的连通状况，VRRP通过监视BFD会话状态实现主备快速切换，主备切换的时间控制在1秒以内。

  对于以下情况，BFD都能够将检测到的故障通知接口板，从而加快VRRP主备倒换的速度。

  • 备份组包含的接口出现故障。

  • Master和Backup不直接相连。

  • Master和Backup直接相连，但在中间链路上存在传输设备。

  BFD对Backup和Master之间的实际地址通信情况进行检测，如果通信不正常，Backup就认为Master已经不可用，升级成Master。在以下两种情况下Backup转换为Master：

  • 当两台路由器之间的背靠背连接全部断开时，Backup主动升级成Master，承载上行流量；

  • 当Master重新启动、或Master与交换机之间的链路断开、或与Master相连的交换机重新启动时，Backup主动升级成Master，承载上行流量。

  VRRP快速切换的环境要求：

  • 在Backup上，BFD Session检测的接口必须和Master设备相连；

  • 在Master不可用时，Backup的优先级增加并大于原来Master的优先级，促使自己快速切换为Master。

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  虚拟IP地址Ping开关

  RFC3768并没有规定虚拟IP地址应不应该Ping通。不能Ping通虚拟IP地址，会给监控虚拟路由器的工作情况带来一定的麻烦，能够Ping通虚拟IP地址可以比较方便的监控虚拟路由器的工作情况，但是带来可能遭到ICMP攻击的隐患。控制Ping通虚拟IP地址的开关命令，用户可以选择是否打开。

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  VRRP的安全功能

  对于安全程度不同的网络环境，可以在报头上设定不同的认证方式和认证字。

  在一个安全的网络中，可以采用缺省设置：路由器对要发送的VRRP报文不进行任何认证处理，收到VRRP报文的路由器也不进行任何认证，认为收到的都是真实的、合法的VRRP报文。这种情况下，不需要设置认证字。

  在有可能受到安全威胁的网络中，VRRP提供简单字符认证，可以设置长度为1～8的认证字。

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  VRRP平滑倒换

  概述

  CE设备作为业务系统的网关，需要启用VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）冗余备份功能。

  在路由器主板和备板状态都正常的情况下，VRRP备份组中的Master设备会以Advertisement_Interval间隔定时发送VRRP广播报文，Backup通过不断检测接收到的广播报文来判断Master状态是否正常。

  当Master设备发生主备倒换后，从发生主备倒换到新主板正常工作，需要一段时间，该时间随不同设备和不同配置差别较大，结果可能导致Master设备不能正常处理VRRP协议报文，Backup设备因为收不到广播报文而抢占到Master状态，并针对每一个虚拟路由器的虚IP地址发送免费ARP，给相关绑定模块发送状态变化通知。

  由于倒换过程中系统过于繁忙，Master端的Hello协议报文无法正常发送，而Backup端无法及时收到报文，会抢占成为Master，引起链路切换，导致丢包。因此需要启用了VRRP功能的CE设备支持VRRP的平滑倒换（SS，Smoth
  Switch）功能，避免因主备倒换影响业务流量。

  基本原理

  

  在VRRP平滑倒换的过程中，Master和Backup分工不同，相互配合，共同保证业务的平滑传输。

  • 要进行VRRP整机平滑倒换处理，必须分别在Master和Backup上使能VRRP协议报文时间间隔学习功能。如图所示，设备1和设备2都使能VRRP协议报文时间间隔学习功能。
    • 如果使能了VRRP协议报文时间间隔学习功能，Master状态的VRRP不学习也不检查协议报文时间间隔的一致性。
    • 非Master状态的VRRP收到Master状态VRRP发来的协议报文后，会检查报文中的时间间隔值，如果和自己的不同，非Master状态的VRRP就会学习到报文中的时间间隔，并调整自己的协议报文时间间隔值，与报文中的值保持一致。
  • 设备1配置整机VRRP平滑倒换功能。设备主备倒换新的主板启动后，VRRP根据设备主备倒换前的状态判断，保存当前配置的VRPP协议报文时间间隔，并对Master状态的VRRP进行协议报文时间间隔调整，然后以当前配置的时间间隔发出VRRP平滑倒换报文，报文中携带着新的时间间隔发送到对端设备2。
  • 设备2收到的VRRP协议报文中携带的时间间隔和自己本地的间隔不一致，将对自己的运行时间间隔调整，并调整自己的定时器，与其保持一致。
  • 设备1平滑结束时将发出VRRP恢复报文，报文中携带着主备倒换前配置的时间间隔，此时设备2上的VRRP会再进行一次时间间隔学习。

  注意事项

  学习功能优先于抢占功能，即如果收到的协议报文时间间隔和自己当前的不一致，并且报文中携带的优先级低于自己当前的配置优先级，这种情况VRRP首先考虑的是学习功能和重置定时器，而后才会考虑是否抢占。

  VRRP整机平滑倒换功能还依赖于系统本身，如果设备自身从主备倒换一开始系统便非常繁忙，无法调度VRRP模块运行的情况，VRRP整机平滑倒换功能无效。

  VRRP加入了VGMP之后，VRRP的运行将依赖于VGMP，此时的VRRP将不受平滑倒换的影响。该功能不能用于业务VRRP。

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  VRRP管理组

  在配置大量VRRP备份组时：

  • 过多VRRP协议报文占用较大的链路带宽

  • 大量VRRP报文的处理对系统造成一定的负担

  • 每个VRRP备份组都要维护协议定时器，对系统来说也是个很大的开销

  此外，每个VRRP备份组状态相对独立，无法保证同一路由器上相关联的接口上VRRP状态都为主用，在严格要求来回路径一致的应用中存在局限性：

  • 基于NAT网关的可靠性组网

  • 基于Proxy服务器的可靠性组网

  • 基于状态防火墙的可靠性组网

  为防止VRRP状态不一致现象的发生，华为公司在VRRP的基础上自主开发了扩展协议VGMP（VRRP Group Management
  Protocol），即VRRP组管理协议。基于VGMP协议建立的VRRP管理组负责统一管理加入其中的各VRRP备份组的状态，保证一台路由器上的接口同时处于主用或备用状态，实现路由器VRRP状态的一致性。

  VRRP管理组有Master设备和Slave设备之分。

  • Master设备：VRRP管理组状态为Master的设备，该路由器上被管理的VRRP备份组状态都是Master（因接口Down而变成Initialize的除外），承担流量传输的任务，并定时发送Hello报文。

  • Slave设备：VRRP管理组状态为Slave的设备，该路由器上被管理的VRRP备份组状态都是非Master，不传输流量，处于监听状态，一旦Master设备出现故障，Slave将竞选成为Master。

  VRRP管理组相当于在VRRP备份组的基础上叠加了一层逻辑层。VRRP备份组加入VGMP之后，不再发送传统VRRP报文，由VRRP管理组负责统一管理加入其中的各VRRP备份组的状态。

  VRRP备份组感知到接口状态变化后，会改变自身的状态。VGMP将感知到这种状态迁移，然后来确定是否切换VGMP的状态，从而切换VGMP组内VRRP备份组的状态。

  VRRP管理组提供的功能

  • 状态一致性管理

    VRRP管理组对所属VRRP组的主备切换进行裁决，改变了传统VRRP中各设备VRRP状态相对独立的现象，从而确保了同一路由器上VRRP备份组的状态一致性。

  • 抢占管理

    对于加入VRRP管理组的VRRP备份组来说，无论各备份组内路由器是否启动了抢占功能，抢占行为发生与否必须由VRRP管理组统一决定。

  • 通道管理

    配置专门的数据通道传输VGMP报文，提高VGMP报文传输的可靠性。

    一个VRRP管理组中至少要有一条数据通道。数据通道可以和业务通道在同一条物理链路上。

  图1描述了业务通道和数据通道的关系。A1-S-B1、A2-S-B2、A3-S-B3可以是数据通道也可以是业务通道，A4-H-B4只能作为数据通道。

  

  VRRP管理组工作方式

  VRRP管理组的工作方式有主备备份和负载分担。

  • 主备备份方式

    • 仅有一个VRRP管理组；

    • 正常情况下，VRRP管理组优先级高的路由器作为Master，承担传输业务传输，VRRP管理组优先级低的路由器作为Slave；

    • 当Master设备出现故障时，主备状态发生切换。

    

  • 负载分担方式

    • 至少有两个VRRP管理组；

    • 路由器上的VRRP备份组加入不同的管理组；

    • 正常情况下，同一路由器上有状态为Master的VRRP管理组，也有状态为Slave的VRRP管理组，网络内的传输流量在多个路由器之间进行负载分担；

    • 当Master设备出现故障时，主备状态进行切换。

    

  • 如图3所示。

    • RouterA上的VRRP管理组1包含备份组1、2、3，优先级为Level1；VRRP管理组2包含备份组4、5、6，优先级为Level2；Level1>Level2

    • RouterB上的VRRP管理组1包括备份组1、2、3，优先级为Level3；VRRP管理组2包含备份组4、5、6，优先级为Level4；Level3

    • Level1=Level4，Level2=Level3

    • RouterA是VRRP管理组1协商出的Master，也是管理组2协商出的Slave

    • RouterB是VRRP管理组1协商出的Slave，也是管理组2协商出的Master

    • Network1内部分主机的默认网关是备份组1，部分主机的默认网关是备份组4；Network2、Network3内主机默认网关的设置原理同Network1

    • 正常情况下，RouterA和RouterB两台路由器对对业务流量进行分担

    如果RouterB出现故障，则VRRP管理组2将重新裁决各设备的状态，管理组2中的RouterA状态切换为Master，RouterB状态切换为Slave，此时RouterA承担全部会话业务。当RouterB恢复正常后，RouterB将继续作为VRRP管理组2的Master，流量将在两个路由器之间分担。

  mVRRP

  mVRRP是指管理VRRP。管理VRRP备份组从本质上讲就是普通的VRRP备份组，唯一特殊之处在于：普通的VRRP备份组被配置为管理VRRP备份组之后，可以绑定其他的业务备份组，并根据绑定关系，决定相关业务备份组的状态。

  一个管理VRRP备份组可以绑定多个业务备份组，但它不能作为业务备份组与其他管理备份组进行绑定。

  管理VRRP备份组也可以作为一般成员加入VGMP组中。在将管理VRRP备份组加入VGMP组后，也可以配置管理VRRP监视Peer BFD和Link BFD会话状态，但管理VRRP备份组状态机会丧失自己的独立性，除了Initialize状态之外，Backup和Master状态需要根据所加入的VGMP组的状态来决定。