虚拟路由冗余协议VRRP原理详解
目录
一、为什么要使用VRRP技术？
二、VRRP简介（转发机制）
三、VRRP状态
四、VRRP选举机制
五、VRRP定时器
六、VRRP报文格式
七、VRRP的工作过程
一、为什么要使用VRRP技术？
我们知道，为了实现不同子网之间的设备通信，需要配置路由。目前常用的指定路由方法有两种：
第一种是通过路由协议 ：RIP、OSPF动态学习
第二种是通过静态路由： 对终端PC机配置静态路由。
这两种路由各有各的优缺点：
第一种路由可以自动寻找最优路径，邻居路由也可以通过学习来获得路由表，但是动态路由占用线路带宽和CPU处理时间。
第二种路由是不需要CPU处理时间同样也不占用线路带宽，但是这个路由需要对终端的PC机进行配置网关来实现，工作量是比较大的。
对于以上的两种路由在现在来说都是广泛应用的。
我们现在只来分析静态路由的缺点，因为VRRP技术就是使用在静态路由上，而不是动态路由上。
对于静态路由来说，对终端PC机配置默认网关。如果作为默认网关的路由器出现故障，所有使用该网关为下一跳的主机的通信是要中断的。如下图所示；
在上图中，主机Ａ—Ｄ都配置了一个默认的网关：１0.1.1.1，网关路由的下一跳指向主机所在网段内的一个路由器RouterA，RouterA将报文发送到外网，但是如果现在RouterA坏掉了，那么所有的主机将无法与其他网段进行通信了。
为了解决以上的问题，我们可以加一个路由器RouterB，如下图所示：
当RouterA坏掉时，所有的PC机将网关切换到RouterB上的网关。这样就实现了路由器的备份。这个技术就是VRRP技术---虚拟路由冗余协议
二、VRRP简介（转发机制）
1. VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由冗余协议）将可以承担网关功能的路由器加入到备份组中，形成一台虚拟路由器，由VRRP的选举机制决定哪台路由器承担转发任务，局域网内的主机只需将虚拟路由器配置为缺省网关
2. VRRP是一种容错协议，在提高可靠性的同时，简化了主机的配置。在具有多播或广播能力的局域网（如以太网）中，借助VRRP 能在某台设备出现故障时仍然提供高可靠的缺省链路，有效避免单一链路发生故障后网络中断的问题，而无需修改动态路由协议、路由发现协议等配置信息。
3. VRRP协议的实现有VRRPv2和VRRPv3两个版本，VRRPv2于IPv4，VRRPv3基于IPv6。
4. VRRP路由器： 所有运行VRRP协议的路由器就叫做VRRP路由器。
5. VRRP备份组：多台路由器被分到一个组中，在这个组中选举出一台主路由器，其他作为备份路由器。平常时候都是主路由器一个工作，备份路由器空闲，当主路由器故障后，从多台备份路由器中选举出一台替代故障的主路由器工作。这一组中的路由器构成了一个备份组。
如下图所示： 有两个路由器，两个网关，从两个路由器中选举出一个路由器作为主路由器，其他的都是备份路由器，主路由器负责发转发数据报，而备份路由器处于空闲状态，当主路由器出现故障后，备份路由器会成为主路由器，代替主路由器实现转发功能。
6. 虚拟路由器：虚拟路由器是VRRP备份组中所有路由器的集合，它是一个逻辑概念，并不是正真存在的。
从备份组外面看备份组中的路由器，感觉组中的所有路由器就像一个一样，你可以理解为 在一个组中：主路由器+所有备份路由器=虚拟路由器。
虚拟路由器有一个虚拟的IP地址和MAC地址。如果虚拟IP和备份组中的某台路由器的IP相同的话，那么这台路由器称为IP地址拥有者，并且作为备份组中的主路由器。
如下图所示：RA、RB和RC都是VRRP路由器，他们构成了一个VRRP备份组，RA为主路由器，RB和RC为备份路由器，这三台路由器从外界来看就像一台一样，这样构成一个虚拟路由器Router Group，虚拟路由器有一个虚拟的IP地址为10.1.1.1（RA主路由器的IP）。RA是IP地址拥有者，也是主路由器。
7. 虚拟IP地址和MAC地址：VRRP组（备份组）中的虚拟路由器对外表现为唯一的虚拟MAC地址，地址格式为00-00-5E-00-01-【VRID】，VRID为VRRP组的编号，范围是0~255.
上图中，三台路由器在一个组中，这个组可以起一个0~255之间的编号。
注意：
1.虚拟路由器具有IP地址。局域网内的主机仅需要知道这个虚拟路由器的IP地址， 并将其设置为缺省路由的下一跳地址
2. 虚拟路由器的 IP 地址可以是备份组所在网段中未被分配的IP 地址，也可以和备份组内的某个路由器的接口IP 地址相同 3.接口 IP 地址与虚拟IP 地址相同的路由器被称为“IP 地址拥有者” 在同一个 VRRP 备份组中，只允许配置一个IP 地址拥有者
三、VRRP状态
VRRP路由器在运行过程中有三种状态：
1. Initialize状态：系统启动后就进入Initialize，此状态下路由器不对VRRP报文做任何处理，可以理解为初始化。
2. Master状态：路由器会发送VRRP通告，发送免费ARP报文。
3. Backup状态：接受VRRP通告。
一般主路由器处于Master状态，备份路由器处于Backup状态。
四、VRRP选举机制
VRRP使用选举机制来确定路由器的状态，运行VRRP的一组路由器对外构成了一个虚拟路由器，其中一台路由器处于Master状态，其他处于Backup状态。
所以主路由器又叫做Master路由器，备份路由器又叫做Backup路由器。
优先级选举：
1.VRRP组中IP拥有者。如果虚拟IP地址与VRRP组中的某台VRRP路由器IP地址相同，则此路由器为IP地址拥有者，这台路由器将被定位主路由器。
2.比较优先级。如果没有IP地址拥有者，则比较路由器的优先级，优先级的范围是0~255，大的作为主路由器。0保留给特殊用途使用，255保留给虚拟IP地址拥有者使用。缺省优先级为100
- IP地址拥有者的优先级不可配置
3.比较IP地址。在没有Ip地址拥有者和优先级相同的情况下，IP地址大的作为主路由器。
如下图所示： 虚拟IP为10.1.1.254，在VRRP组中没有IP地址拥有者，则比较优先级，很明显RB和RA的优先级要大于RC，则比较RA和RB的IP地址，RB的IP地址大。所以RB为组中的主路由器。
五、VRRP定时器
① VRRP通告报文时间间隔定时器
1）VRRP备份组中的Master路由器会定时发送VRRP通告报文，通知备份组内的路由器自己工作正常。
2）用户可以通过设置VRRP定时器来调整Master路由器发送VRRP 通告报文的时间间隔。
3）如果Backup路由器在等待了3个间隔时间后，依然没有收到VRRP 通告报文，则认为自己是Master路由器，并对外发送VRRP通告报文，重新进行Master路由器的选举。
② VRRP抢占延迟时间定时器
1） 为了避免备份组内的成员频繁进行主备状态转换，让Backup路由器有足够的时间搜集必要的信息（如路由信息），Backup 路由器接收到优先级低于本地优 先级的通告报文后，不会立即抢占成为Master
2）而是等待一定时间——抢占延迟时间后，才会对外发送VRRP通告报文取代原 来的Master路由器。
六、VRRP报文格式
VRRP只使用VRRP通告报文。
VRRP通告报文使用Ip组播数据包进行封装，组播地址为224.0.0.18，IANA给其分配的协议号为112。
VRRP通告报文的TTL值必须是255，如果VRRP路由器接受到TTL值不为255的VRRP通告报文，必须丢弃。
VRRP组中的主路由器会定期发送通告报文，备份路由器接受，他们通过这种方式来交流选举
七、VRRP的工作过程
- VRRP组中的设备选举出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。
- 如果Master设备出现故障，VRRP备份组中的Backup设备重新选举新的Master。
- VRRP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（则其优先级为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。