华为网络配置（VRRP）

2022-02-13 13:07:57

前言

VRRP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

一、VRRP概述

1、VRRP介绍

虚拟路由冗余协议VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）是一种用于提高网络可靠性的容错协议，通过VRRP，可以在主机的下一跳设备出现故障时，及时将业务切换到备份设备，从而保障网络通信的连续性和可靠性

2、VRRP作用

现实网络中的主机使用缺省网关与外部网络联系时，如果网关出现故障，与其相连的主机将与外界失去联系，导致业务中断

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，将多台设备组成一个虚拟设备，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，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，当设备故障时，发往缺省网关的流量将由备份设备进行转发

3、VRRP基本概念

（1）VRRP路由器

VRRP路由器（VRRP Router）是运行VRRP协议的设备，它可能属于一个或多个虚拟路由器

（2）虚拟路由器

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

（3）Master路由器

Master路由器（Virtual Router Master）是承担转发报文任务的VRRP设备

（4）Backup路由器

Backup路由器（Virtual Router Backup）是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

（5）VRID

VRID是虚拟路由器的标识

（6）虚拟IP地址

虚拟IP地址(Virtual IP Address)是虚拟路由器的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

（7）IP地址拥有者

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（IP Address Owner），如果IP地址拥有者是可用的，通常它将成为Master

（8）虚拟MAC地址

虚拟MAC地址（Virtual MAC Address）是虚拟路由器根据虚拟路由器ID生成的MAC地址，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

4、VRRP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Master状态的设备才可以转发那些发送到虚拟IP地址的报文

（1）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
收到接口up的消息后，如果设备的优先级为255，则直接成为Master设备，如果设备的优先级小于255，则会先切换至Backup状态

（2）Master

当VRRP设备处于Master状态时，它将会做下列工作

定时（Advertisement Interval）发送VRRP通告报文
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，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

（3）Backup

当VRRP设备处于Backup状态时，它将会做下列工作

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
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
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

5、VRRP的工作过程

当Master设备出现故障时，会选举出新的Master设备，新的Master设备开始响应对虚拟IP地址的ARP响应，并定期发送VRRP通告报文，VRRP的详细工作过程如下

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
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，在抢占模式下，如果Backup设备的优先级比当前Master设备的优先级高，则主动将自己切换成Master，在非抢占模式下，只要Master设备没有出现故障，Backup设备即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master设备

6、Master设备的选举

VRRP根据优先级来确定虚拟路由器中每台设备的角色（Master设备或Backup设备），优先级越高，则越有可能成为Master设备

初始创建的VRRP设备工作在Initialize状态，收到接口Up的消息后，如果设备的优先级为255，则直接成为Master设备，如果设备的优先级小于255，则会先切换至Backup状态，待Master_Down_Interval定时器超时后再切换至Master状态，首先切换至Master状态的VRRP设备通过VRRP通告报文的交互获知虚拟设备中其他成员的优先级，进行Master的选举

如果VRRP报文中Master设备的优先级高于或等于自己的优先级，则Backup设备保持Backup状态
如果VRRP报文中Master设备的优先级低于自己的优先级，采用抢占方式的Backup设备将切换至Master状态，采用非抢占方式的Backup设备仍保持Backup状态
如果多个VRRP设备同时切换到Master状态，通过VRRP通告报文的交互进行协商后，优先级较低的VRRP设备将切换成Backup状态，优先级最高的VRRP设备成为最终的Master设备，优先级相同时，VRRP设备上VRRP备份组所在接口主IP地址较大的成为Master设备
如果创建的VRRP设备为IP地址拥有者，收到接口Up的消息后，将会直接切换至Master状态

7、Master设备状态的通告

Master设备周期性地发送VRRP通告报文，在VRRP备份组中公布其配置信息（优先级等）和工作状况，Backup设备通过接收到VRRP报文的情况来判断Master设备是否工作正常

当Master设备主动放弃Master地位（如Master设备退出备份组）时，会发送优先级为0的通告报文，用来使Backup设备快速切换成Master设备，而不用等到Master_Down_Interval定时器超时，这个切换的时间称为Skew time，计算方式为：（256－Backup设备的优先级）/256，单位为秒
当Master设备发生网络故障而不能发送通告报文的时候，Backup设备并不能立即知道其工作状况，等到Master_Down_Interval定时器超时后，才会认为Master设备无法正常工作，从而将状态切换为Master，其中，Master_Down_Interval定时器取值为：3×Advertisement_Interval＋Skew_time，单位为秒

在性能不稳定的网络中，网络堵塞可能导致Backup设备在Master_Down_Interval期间没有收到Master设备的报文，Backup设备则会主动切换为Master，如果此时原Master设备的报文又到达了，新Master设备将再次切换回Backup，如此则会出现VRRP备份组成员状态频繁切换的现象，为了缓解这种现象，可以配置抢占延时，使得Backup设备在等待了Master_Down_Interval后，再等待抢占延迟时间，如在此期间仍没有收到通告报文，Backup设备才会切换为Master设备

8、VRRP主备备份

主备备份是VRRP提供备份功能的基本方式，该方式需要建立一个虚拟路由器，该虚拟路由器包括一个Master设备和若干Backup设备

9、VRRP负载分担

负载分担是指多个VRRP备份组同时承担业务，VRRP负载分担与VRRP主备备份的基本原理和报文协商过程都是相同的，同样对于每一个VRRP备份组，都包含一个Master设备和若干Backup设备，与主备备份方式不同点在于负载分担方式需要建立多个VRRP备份组，各备份组的Master设备可以不同，同一台VRRP设备可以加入多个备份组，在不同的备份组中具有不同的优先级

多网关负载分担：通过创建多个带虚拟IP地址的VRRP备份组，为不同的用户指定不同的VRRP备份组作为网关，实现负载分担
单网关负载分担：通过创建带有虚拟IP地址的VRRP负载分担管理组LBRG（Load-Balance Redundancy Group），并向该负载分担管理组中加入成员VRRP备份组（无需配置虚拟IP地址），指定负载分担管理组作为所有用户的网关，实现负载分担

10、管理VRRP

为了提高网络可靠性，通常部署主备双归属，为了满足不同的业务需要，设备之间可以运行多个VRRP备份组，此时每个VRRP备份组都需要维护自己的状态机，这样设备之间就会存在大量的VRRP协议报文，为了减少协议报文对带宽的占用及CPU资源的消耗，可以将其中一个VRRP备份组配置为管理VRRP备份组（mVRRP），其余的业务VRRP备份组与管理VRRP备份组进行绑定，此时，管理VRRP负责发送协议报文来协商设备的主备状态，业务VRRP不发送协议报文，其主备状态与管理VRRP的主备保持一致，以此减少协议报文对CPU与带宽资源的消耗

11、管理VRRP备份组

管理VRRP备份组与普通VRRP备份组一样，会通过VRRP协议报文来协商VRRP设备的主备状态，管理VRRP可以部署在网络中的以下位置

管理VRRP与业务VRRP部署在同一侧，此时管理VRRP备份组作为网关使用，管理VRRP既负责协商设备的主备状态，也承担业务流量，此时在配置管理VRRP之前必须先创建普通VRRP备份组并配置虚拟IP地址，该虚拟IP地址即为用户设置的网关地址
管理VRRP部署在两台设备之间的直连链路上，管理VRRP备份组不作为网关使用时，管理VRRP只负责协商设备的主备状态，不承担业务流量，因此管理VRRP不需要具有虚拟IP地址，用户可以直接在接口上创建管理VRRP备份组，该配置在一定程度上降低了用户维护的复杂度