网络的冗余

介绍：

一般在网络中，都会考虑网络的健壮性，之前我给web服务器做负载均衡的时候，也会给调度器做一个冗余，用到的也是常用的VRRP虚拟路由冗余协议。做冗余是为了保障单个节点出现故障时，有另一个backup顶替上去使得服务不会出现瘫痪，给用户带来不好的体验。

这里说的主要是网路设备的冗余，但其实原理都相似的：

• 交换冗余
• 路由冗余
• 网关的冗余
  • VRRP
  • HSRP
  • GLBP
• 链路的冗余
  • Etherchannel
• STP 的灵活使用

交换冗余

在交换网络中，主要两大类冗余：

• 硬件方面：电源冗余、引擎冗余、模块冗余、设备堆叠
• 软件方面：stp的使用、EtherChannel

为了防止核心层断电导致网络的大规模瘫痪，通常情况下会采取双电源的冗余，由芯片来控制电源进行负载均衡。

引擎的冗余：交换引擎是交换机的核心，所以在核心层通常也会扩展引擎。

设备的堆叠：常见的交换机扩展，分清级联和堆叠的区别：

• 级联：使用双绞线通过交换机端口与其他交换机相连，从而实现网络连接距离的增加，但是管理麻烦，很容易产生链路瓶颈。
• 堆叠：使用专用的堆叠端口和堆叠线，将交换机背板直接连在一起，通过几条简单的命令就可以配置。堆叠只能在相同厂家之间进行，几台堆叠的交换机在逻辑上可以看作一台，算得上是电源、引擎、模块的多重冗余。

路由的冗余

静态路由的冗余：前面说过静态路由，配置过浮动路由。就是地址一条权重更低的路由，当主路由出问题的时候换到设置好的权重低的路由，这就是静态路由的冗余。

动态路由因为本身会根据网络自动学习调整，所有无需冗余，只需要设计一条备用线路就行。

网关的冗余

网关是一个网段到另一个网段的大门，通常有两种方式配置：

• 手动为设备指定网关ip地址
• 使用DHCP动态主机配置协议为设备分配ip地址
  DHCP是一个应用层的协议，全称是 Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议。网内每新增一台主机、终端设备就去手动配置很麻烦，所以就出现了 DHCP。其主要的功能便是有一台转发的设备作为 DHCP 服务端，他有很多的 IP 地址，网内可用的 IP 地址都让他去管理，每增加一台设备让他们在网内广播发出请求，DHCP 服务端就给他分配一个 IP 地址，主机收到之后，就自动的将收到的 IP 地址与网管配置好。

这里我们说一下网关的冗余，如果网关的设备出问题了，那么这个网段所有的主机都不能和外界通信了。

通常我们会创建一个虚拟的网关（IP），而在这个虚拟的网关背后，有两个真正的网关（ip），外界看到是虚拟的ip，而真正工作的其实还是背后的其中一个。
实现这个功能的协议有：

• VRRP：虚拟路由冗余协议，由 IETF 在颁布的 RFC 5798中有所描述，这是一个标准的开放协议，所有的厂家设备都会支持该协议；
• HSRP：Hot Standby Router
  Protocol，热备路由协议，是由思科自主研发的协议，所以该协议是思科的专有协议，在其他厂家的设备上并不支持；
• GLBP：Gateway Load Balancing
  Protocol，网关负载均衡协议，这也是由思科自主研发的协议，所以该协议也是思科的专有协议，在其他厂家的设备上不支持该功能。

VRRP工作流程
：
在 VRRP 中有三种状态：

• Initialize：初始化状态，在该状态的下，VRRP 为不可用，此时的设备处于刚刚启动或者设备检测到了故障。
• Master：主路由的状态，在该状态下的设备为主要的工作设备。
• Backup：备路由的状态，在该状态下的设备处于闲置状态，也就是说此时的设备并没有太多的任务需要做。

他们的简单工作过程是这样的：

对终端有一个虚拟网关，终端设置网关时便设置为虚拟网关的 IP 地址，而在虚拟网关后有多台设备，Master 设备作为主要工作者，他会告诉所有设备此时他是领导者，他的 IP 地址、Mac 地址是多少，只要发到虚拟网关的数据包都发送给他，由他转发。一旦 Master 故障了，Backup 马上接替工作告知其他设备，今天它是领导，所有发往虚拟网关的数据包都给他。

具体的工作流程是这样的：

1.开启功能

在设备启动了 VRRP 功能之后，设备进入初始化的状态。当连接其他设备的接口处于 UP 的状态之后，设备会先查看自己的优先级值，若是小于 255 则首先将自己切换到 Backup 的备份状态。

2.切换第一个状态

在启动了 VRRP 之后有一个 Master_Down_Interval 计时器也随之启动开始计时（因为主路由一旦启动便会主动的为备用路由发送消息，告知它还是正常的，若是备用路由有一段时间没有收到这样的消息了，他就会发包去询问主路由的情况如何，而这个计时器便是计算这个时间间隔所用的），在 VRRP 中该时间的默认值为 3 秒，计时器一旦超时了便会认为网络中的 Master 的失效了、不工作了、偷懒了或者是故障了。

3.选举 Master

同一个工作组的其他设备收到 VRRP 的通告之后就会获取报文中的信息由此来做这样的判断（假设其他设备处于 Backup 的状态，下文讨论 Master 的状态）：

收到的报文中设备的优先级高于自己的优先级，并且自己此时本就是 Backup 的状态，便保持状态不变
收到的报文中设备的优先级低于自己的优先级，便去检查自己是否开启了抢占模式：
若是自己开启了抢占模式，那么将自己切换成 Master 的状态
若是自己没有开启抢占模式，并且此时自己又是 Backup 的状态，那么则保持状态

一般在配置时有先后顺序，首先配置的设备按照这样的过程便成为了 Master。但是若是同一个工作组中有多台设备，而设置又是同时配置，那么此时会出现这样的特殊情况，一开始大家都没有收到 Master 的通过（因为大家都处于 Backup 的状态），所以大家都切换成 Master 的状态，然后相互发送通告。

通告中 Master 设备的优先级高于自身设备的优先级，则将自己修改为 Backup 的状态；
通告中 Master 设备的优先级低于自身设备的优先级，保持状态，不做任何的改变；
通告中 Master 设备的优先级与自身设备的优先级相同，那么便对比 Master 的 IP 地址：
若是对方 IP 地址大于自己的 IP 地址那么将自己切换成 Backup 的状态
若是对方 IP 地址小于自己的 IP 地址那么将保持自己的 Master 状态

当然这里还有这样的一种特殊情况就是虚拟网关的 IP 地址就是他自身的 IP 地址，那么经过初始化状态状态之后直接将自己切换为 Master 状态。

4.发送通告
作为 Master 的设备会非常的繁忙，他们会做这样的人一些事情：

只要发送向虚拟 IP 地址的 ARP 请求都会转发给他，由他做出响应。
如果发送向虚拟 IP 地址的 IP 数据报文请求，他会直接丢包，因为是虚拟 IP 地址，是逻辑意义上的一台设备，但是若是这个虚拟 IP 地址就是其本身的 IP 地址，他会以自己的身份去响应。
在局域网中是通过数据帧传递消息，通过 MAC 地址找到这台虚拟网关设备，需要通过他转发数据与其他网络通信，Master 负责转发数据

最后 Master 还有最重要的事情需要做，就是定时的向其他设备发送通告，在通告中富含有设备的优先级情况以及自己的工作状态，其他的备用设备收到通告之后由此来判断设备能否胜任工作。

其中这个定时的时间间隔叫做 Advertisement_Interva 通告区间。有个 Timer 来计时，一旦超时就发送通告然后重置 Timer，如此反复。其默认值是一秒。

5.Master 的变化

当 Master 因为负载过高或者其他等等的情况会主动放弃 Master 的状态，此时 Master 发送的通告中会将自己的优先级设置为 0。这样备份设备收到数据包之后就会将自己切换成 Master。而通过这样情况来切换成 Master 的时间叫做 Skew time。这个时间的值：Skew time=(256-备份设备的优先级值)/256

还有一种情况也就是 Master 设备真的出故障了，没办法工作了。Backup 设备中的 Master_Down_Interval 计时器超时了，便知道主设备无法工作了，因为他都没有办法给我发送报文了肯定是出事了，所以会将自己切换成 Master。而上文中说它的默认值是 3s。

VRRP配置网关冗余：

按拓扑图配置端口ip和路由：
r1

r1(config)#inter e0/1
r1(config-if)#ip address 202.205.1.1 255.255.255.0
r1(config-if)#no shutdown
r1(config-if)#exit
r1(config)#inter lo 0
r1(config-if)#ip address 202.203.1.1 255.255.255.0
r1(config-if)#no shutdown
r1(config-if)#exit
r1(config)#inter e0/0 
r1(config-if)#ip address 202.204.1.1 255.255.255.0 
r1(config-if)#no shutdown
r1(config-if)#exit
配置ospf路由：
r1(config)#router ospf 10
r1(config-router)#network 202.203.1.0 0.0.0.255 area 0
r1(config-router)#network 202.204.1.0 0.0.0.255 area 0
r1(config-router)#network 202.205.1.0 0.0.0.255 area 0

r2

r2(config)#inter e0/0
r2(config-if)#ip address 202.204.1.2 255.255.255.0
r2(config-if)#no shutdown
r2(config-if)#inter e0/1
r2(config-if)#ip address 192.168.1.2 255.255.255.0
r2(config-if)#no shutdown
r2(config-if)#exit
r2(config)#router ospf 10
r2(config-router)#network 202.204.1.0 0.0.0.255 area 0
r2(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0

r3

r3(config)#inter e0/0 
r3(config-if)#ip address 202.205.1.2 255.255.255.0
r3(config-if)#no shutdown
r3(config-if)#exit
r3(config)#inter e0/1
r3(config-if)#ip address 192.168.1.3 255.255.255.0
r3(config-if)#no shutdown
r3(config-if)#exit
r3(config)#router ospf 10
r3(config-router)#network 202.205.1.0 0.0.0.255 area 0
r3(config-router)#network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0

pc1

pc1(config)#inter e0/0
pc1(config-if)#no switch
pc1(config-if)#ip address 192.168.1.4 255.255.255.0
pc1(config-if)#no shutdown
pc1(config-if)#exit
pc1(config)#no ip routing 
pc1(config)#ip default-gateway 192.168.1.2

配置之后，此时是可以ping通r1的环回地址，但是当r2出问题之后，pc便ping不通了，这就是单点故障。

配置 VRRP
r2

r2(config)#inter e0/1
r2(config-if)#vrrp 1 ip 192.168.1.1
r2(config-if)#vrrp 1 priority 100
r2(config-if)#vrrp 1 preempt
r2(config-if)#no shutdown
r2(config-if)#exit

r3

r3(config)#int e0/1
r3(config-if)#vrrp 1 ip 192.168.1.1
r3(config-if)#vrrp 1 priority 80
r3(config-if)#vrrp 1 preempt  //开启抢占模式
r3(config-if)#no shutdown
r3(config-if)#exit

在pc上重新设置网关：

pc1(config)#inter e0/0
pc1(config-if)#ip default-gateway 192.168.1.1

开启了抢占模式之后，一旦原 Master 设备回复正常能在第一时间将自己修改为 Master，把当前替补的设备踢回 Backup 的状态。

查看vrrp：

r3#show vrrp