理解VRRP协议

VRRP即虚拟路由冗余协议(Virtual Router Redundancy Protocol)，它是为了避免路由器出现单点故障的一种容错协议。

图1-虚拟路由器

如图1所示，我们把多个运行着VRRP协议的路由器抽象成一个虚拟路由器（从外边来看，就像只有一个真实的路由器在工作），组成虚拟路由器的一组路由器会有一个会成为Master路由器，其余的会成为Backup路由器。
正常情况下，会由Master完成该虚拟路由器的工作。Master一旦出现故障，从Backup中选出一个成为Master继续工作，从而避免路由器单点问题。

在详细介绍VRRP协议之前，先弄清楚几个概念。

1. 相关术语

1.1 VIP

VIP（Virtual IP）即虚拟IP，是一个不与特定计算机或网络接口卡(NIC)相连的IP地址。

1.2 VRRP路由器

运行VRRP协议的路由器（或设备）。它可能属于一个或多个虚拟路由器。

1.3 虚拟路由器

由一组VRRP路由器组成，抽象成一个虚拟的路由器。它拥有一个虚拟路由器标识符（VRID）和一个VIP。

1.4 虚拟MAC地址

即虚拟路由器根据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。

1.5 IP地址拥有者（IP Address Owner）

如果一个VRRP路由器将VIP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VIP的报文，如ping、TCP连接等。

1.6 优先级（Priority）

用来标识虚拟路由器中各成员路由器的优先级。
虚拟路由器根据优先级选举出Master和Backup。

2. VRRP是如何工作的

当路由器配置了VRRP（VRID、VIP、优先级等信息）后，它就成了一台VRRP路由器，即组成某个虚拟路由器的一个成员路由器。

2.1 VRRP的工作流程

1. Master选举：从VRRP组中选举一个Master，其余为Backup
2. 各设备协调工作：Master负责虚拟路由器的工作，Backup负责监听Master的状态
3. 故障转移：Master出现故障，回到步骤1

2.2 VRRP协议定义了3种状态机：

分别为初始状态（Initialize）、活动状态（Master）、备份状态（Backup）。

3种状态相互之间的转换

1. 初始状态（Initialize）

• 为VRRP不可用状态，在此状态下设备不会对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该状态。
• 收到接口startup（启动）的状态，如果设备的优先级为255（表示该设备为虚拟路由器IP地址拥有者），则直接成为Master设备。如果设备的优先级小于255，则会先切换到Backup状态。

2. 活动状态（Master）
   处于该状态下的设备为Master设备，Master设备会做如下工作：

• 定时发送VRRP通告报文（时间间隔为Advertisement_Interval）
• 以虚拟MAC地址相应对虚拟IP地址的ARP请求
• 转发目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文
• 抢占模式下，如果收到比自己优先级大的VRRP报文，或者跟自己优先级相等，且本地接口IP地址小于源端接口IP地址时，则转变为Backup状态。
• 收到Shutdown（关闭）消息后，则立即转变为Initialize状态。

3. 备份状态（Backup）
   处于该状态下的设备接收Master发送的VRRP通告报文，判断Master是否正常。如果一定时间间隔没有收到VRRP通告报文，即Master_Down_Interval（Master_Down_Interval = 3* Advertisement_Interval + Skew_time）超时，则判断为Master故障。

• 接收Master发送的VRRP通告报文，判断Master是否正常
• 对虚拟IP的ARP请求不做响应
• 丢弃目的MAC地址为虚拟路由器MAC地址的IP报文
• 丢弃目的IP地址为虚拟路由器IP地址的IP报文
• 如果收到优先级比自己高，或与自己相等的VRRP报文，则重置Master_Down_Interval定时器（不进一步比较IP地址）。
• 如果收到优先级比自己小的VPPR报文，且优先级为0时，（表示原Master设备声明不参与该VRRP组了），定时器时间设置为Skew_time（偏移时间，Skew_time= (256 - priority)/256）。
• 如果收到优先级比自己小的VPPR报文，且优先级不为0时，丢弃该报文，立即转变为Master状态。
• Master_Down_Interval定时器超时，立即转变为Master状态。
• 收到Shutdown（关闭）消息后，则立即转变为Initialize状态。

2.3 Master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。

Master选举过程如下：

1. 初始创建的VRRP设备都工作在Initialize状态，当VRRP设备在收到VRRP接口Startup的消息后，如果此设备的优先级等于255（也就是所配置的虚拟路由器IP地址是本设备VRRP接口的真实IP地址），将会直接切换至Master状态，并且无需进行下面的Master选举。否则，会先切换到Backup状态，待Master_Down_Interval定时器超时后再切换至Master状态。（开始的时候并没有Master设备，则这个Master_Down_Interval定时器一定会超时）

2. 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，然后根据以下规则进行Master的选举。
   1）.如果收到的VRRP报文中的优先级高于或等于自己的优先级，则当前Backup设备保持Backup状态。
   2）.如果VRRP报文中Master设备的优先级低于自己的优先级，当采用抢占方式下（缺省为抢占方式），则当前Backup设备将切换至Master状态；当采用非抢占方式时，当前Backup设备仍保持Backup状态。

3. 当有多个VRRP设备同时切换至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设备将切换至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，再根据VRRP设备上VRRP备份组所在接口主IP地址大小进行比较，IP地址较大的成为Master设备。

2.4 Master与Backup协调工作

Master设备会周期性的发送VRRP通告报文，在VRRP备份组中公布其配置信息（优先级等）和工作状态。Backup设备通过接收到Master设备发来的VRRP报文的情况来判断Master设备是否工作正常。

1. 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VRRP通告报文，使Backup设备快速切换成Master设备（当有多台Backup设备时也要进行Master选举），而不用等到Master_Dwon_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。

2. 当Master设备发生网络故障而不能发送VRRP通告报文的时候，Backup设备并不能立即知道其工作状况，要等到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（同样，当有多台Backup设备时也要进行Master选举）。

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定时器超时后仍没有收到Master设备的报文后，使得Backup设备主动切换为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。如此会出现VRRP设备组成员状态频繁切换的现象。为缓解这种现象，可以配置抢占时延，使得Backup设备在等待了Master_Down_Interval定时器后再等待抢占时延时间。