20.VRRP协议原理与配置

原理

作用
VRRP可以通过部署多个网络来解决用户网关单点故障的问题，它既可以实现网关的备份，又能解决多个网关之间互相冲突的问题。

单网关的缺陷
当网关路由器出现故障时，本网段内以该设备为网关的主机都不能与Internet进行通信。

多网关存在的问题

• 对于单网关的缺陷，可以通过部署多网关的方式实现网关的备份。
• 但多网关可能会出现一些问题：网关间IP地址冲突；主机会频繁切换网络出口。

VRRP基本概述

• VRRP能够在不改变组网的情况下，将多台路由器虚拟成一台路由器，通过配置虚拟路由器的IP地址为默认网关，实现网关的备份。
• 协议版本：VRRPv2（常用）和VRRPv3：
  VRRPv2仅适用于IPv4网络，VRRPv3适用于IPv4和IPv6两种网络。
• VRRP协议报文：
  只有一种报文：Advertisement报文；其目的IP地址是224.0.0.18，目的MAC地址是01-00-5e-00-00-12，协议号是112。

VRRP基本慨念

• VRRP路由器：运行VRRP协议的设备
• 虚拟路由器：又被称为VRRP备份组，由一个Master设备和多个Backup设备组成，这个设备会被当做一个共享局域网内主机的缺省网关。
• Master路由器：承担转发报文任务的VRRP设备。
• Backup路由器：Master的备份路由器，没有承担转发任务。
• Priority：设备在备份组中的优先级，取值范围是0～255。0表示设备停止参与VRRP备份组，用来使备份设备尽快成为Master设备，而不必等到计时器超时；255则保留给IP地址拥有者，无法手工配置；设备缺省优先级值是100。
• vrid：虚拟路由器的标识，需手工指定，范围1-255。
• 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设备将真实的接口IP地址配置为虚拟路由器IP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，则它将一直成为Master。
• 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} 。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。

VRRP状态机
VRRP协议状态机有三种状态：Initialize（初始状态）、Master（活动状态）、Backup（备状态）。
三种状态之间的转换条件如下：
Initialize->Master：Startup priority=255；
Initialize->Backup：Startup priority!=255；
Master->Initialize：设备关闭；
Master->Backup：收到比自己优先级更高的数据包；
Backup->Initialize：设备关闭；
Backup->Master：在超时时间内没有收到VRRP通告报文或者收到通告报文原Master优先级为0，或者收到的通告报文中的原Master优先级比自己的优先级低。

VRRP主备备份工作过程
VRRP的工作过程如下：
选举出Master：

• 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。

• 选举规则：比较优先级的大小，优先级高者当选为Master设备。当两台设备优先级相同时，如果已经存在Master，则其保持Master身份，无需继续选举；如果不存在Master，则继续比较接口IP地址大小，接口IP地址较大的设备当选为Master设备。

Master设备状态的通告（VRRP备份组状态维持）：

• 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设备通过接收到的VRRP报文来判断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。

VRRP主备路由器切换过程-----Master故障
Master设备故障工作过程：

• 当组内的备份设备一段时间（Master_Down_Interval定时器取值为：3×Advertisement_Interval＋Skew_Time，单位为秒）内没有接收到来自Master设备的报文，则将自己转为Master设备。

• 一个VRRP组里有多台备份设备时，短时间内可能产生多个Master设备，此时，设备将会对收到的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成为Master。
  设备的状态变为Master之后，会立刻发送免费ARP来刷新交换机上的MAC表项，从而把用户的流量引到此设备上来，整个过程对用户完全透明。

VRRP主备路由器切换过程-----Master故障恢复
抢占模式（Preemption Mode）：

• 控制具有更高优先级的备用路由器是否能够抢占具有较低优先级的Master路由器，使自己成为Master。缺省为抢占模式。

注意：存在的例外情况是如果IP地址拥有者是可用的，则它总是处于抢占的状态，并成为Master设备。

抢占延时（Delay Time）：
抢占延迟时间，默认为0，即立即抢占。
Master故障恢复后，立即抢占可能会导致流量中断，因为Master的上行链路的路由协议可能未完成收敛，这种情况则需要配置Master设备的抢占延时。

另外，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时间后，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。

VRRP故障场景
Master的上行链路故障不会引起VRRP主备切换，这样会造成HostA访问Internet的流量在RouterA处被丢弃，所以需要使VRRP设备能够感知到上行链路故障，并且及时做主备切换。
若RouterA或连接RouterB的接口发生故障时都会引起VRRP主备切换，因为Backup设备无法在Master_Down_Interval时间内收到Master设备发送的协议报文了。

VRRP联动功能
问题：VRRP无法感知非运行VRRP接口的状态变化，故当上行链路出现故障时，VRRP无法进行感知，不会进行主备切换，从而导致业务中断。
解决方案：利用VRRP的联动功能监视上行接口或链路故障，主动进行主备切换。

VRRP负载分担工作过程

• 负载分担是指多个VRRP备份组同时承担业务转发，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。对于每一个VRRP备份组，都包含一个Master设备和若干Backup设备。
• 与主备备份方式的不同点在于：负载分担方式需要建立多个VRRP备份组，各备份组的Master设备分担在不同设备上；单台设备可以加入多个备份组，在不同的备份组中扮演不同的角色。

vrrp配置

主备备份方式
拓扑：
Master配置
interface GigabitEthernet0/0/1
ip address 10.0.0.1 255.255.255.0
vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.10
vrrp vrid 1 priority 120
vrrp vrid 1 preempt-mode timer delay 20------设置master延迟抢占时间为20S
vrrp vrid 1 track interface GigabitEthernet0/0/0 reduce 30------检测上行链路状态，如果发生故障，优先级降低30
Backup配置：（默认优先级为100）
interface GigabitEthernet0/0/1
ip address 10.0.0.2 255.255.255.0
vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.10

负载分担方式
拓扑：

AR2:
interface GigabitEthernet0/0/1
ip address 10.0.0.1 255.255.255.0
vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.10
vrrp vrid 1 priority 120
vrrp vrid 1 preempt-mode timer delay 20
vrrp vrid 1 track interface GigabitEthernet0/0/0 reduce 30
vrrp vrid 2 virtual-ip 10.0.0.11

AR3:
interface GigabitEthernet0/0/1
ip address 10.0.0.2 255.255.255.0
vrrp vrid 1 virtual-ip 10.0.0.10
vrrp vrid 2 virtual-ip 10.0.0.11
vrrp vrid 2 priority 120
vrrp vrid 2 preempt-mode timer delay 20
vrrp vrid 2 track interface GigabitEthernet0/0/0 reduce 30