CCNP学习之路之VRRP

 

VRRP简介

如图 1所示，通常，同一网段内的所有主机都设置一条相同的、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。

图 1 局域网组网方案

 

缺省路由为用户的配置操作提供了方便，但是对缺省网关设备提出了很高的稳定性要求。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（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）将可以承担网关功能的一组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。

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能在某台路由器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。

VRRP协议的实现有VRRPv2和VRRPv3两个版本。其中，VRRPv2基于IPv4，VRRPv3基于IPv6。VRRPv2和VRRPv3在功能实现上并没有区别，只是应用的网络环境不同。

VRRP备份组简介

VRRP将局域网内的一组路由器划分在一起，称为一个备份组。备份组由一个Master路由器和多个Backup路由器组成，功能上相当于一台虚拟路由器。

VRRP备份组具有以下特点：

• 虚拟路由器具有IP地址，称为虚拟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。

• 网络内的主机通过这个虚拟路由器与外部网络进行通信。

• 备份组内的路由器根据优先级，选举出Master路由器，承担网关功能。其他路由器作为Backup路由器，当Master路由器发生故障时，取代Master继续履行网关职责，从而保证网络内的主机不间断地与外部网络进行通信。

图 2 VRRP组网示意图

 

如图 2所示，Router A、Router B和Router C组成一个虚拟路由器。此虚拟路由器有自己的IP地址。局域网内的主机将虚拟路由器设置为缺省网关。Router A、Router B和Router C中优先级最高的路由器作为Master路由器，承担网关的功能。其余两台路由器作为Backup路由器。

1. 备份组中路由器的优先级

VRRP根据优先级来确定备份组中每台路由器的角色（Master路由器或Backup路由器）。优先级越高，则越有可能成为Master路由器。

VRRP优先级的取值范围为0到255（数值越大表明优先级越高），可配置的范围是1到254，优先级0为系统保留给特殊用途来使用，255则是系统保留给IP地址拥有者。当路由器为IP地址拥有者时，其优先级始终为255。因此，当备份组内存在IP地址拥有者时，只要其工作正常，则为Master路由器。

2. 备份组中路由器的工作方式

备份组中的路由器具有以下两种工作方式：

• 非抢占方式：如果备份组中的路由器工作在非抢占方式下，则只要Master路由器没有出现故障，Backup路由器即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master路由器。

• 抢占方式：如果备份组中的路由器工作在抢占方式下，它一旦发现自己的优先级比当前的Master路由器的优先级高，就会对外发送VRRP通告报文。导致备份组内路由器重新选举Master路由器，并最终取代原有的Master路由器。相应地，原来的Master路由器将会变成Backup路由器。

3. 备份组中路由器的认证方式

为了防止非法用户构造报文攻击备份组，VRRP通过在VRRP报文中增加认证字的方式，验证接收到的VRRP报文。VRRP提供了两种认证方式：

• simple：简单字符认证。发送VRRP报文的路由器将认证字填入到VRRP报文中，而收到VRRP报文的路由器会将收到的VRRP报文中的认证字和本地配置的认证字进行比较。如果认证字相同，则认为接收到的报文是真实、合法的VRRP报文；否则认为接收到的报文是一个非法报文。

• md5：MD5认证。发送VRRP报文的路由器利用认证字和MD5算法对VRRP报文进行摘要运算，运算结果保存在Authentication Header（认证头）中。收到VRRP报文的路由器会利用认证字和MD5算法进行同样的运算，并将运算结果与认证头的内容进行比较。如果相同，则认为接收到的报文是真实、合法的VRRP报文；否则认为接收到的报文是一个非法报文。

在一个安全的网络中，用户也可以不设置认证方式。

VRRP定时器

VRRP定时器分为两种：VRRP通告报文间隔时间定时器和VRRP抢占延迟时间定时器。

1. VRRP通告报文时间间隔定时器

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。

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。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

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，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。

VRRP报文格式

Master路由器以组播的方式定时发送VRRP报文通告它的存在。这些报文可以用来检测虚拟路由器的各种参数，还可以用于Master路由器的选举。

VRRPv2的报文格式如图 3所示，VRRPv3的报文格式如图 4所示。

图 3 VRRPv2的报文格式

 

图 4 VRRPv3的报文格式

 

各字段解释如下：

• Version：协议版本号。VRRPv2对应的版本号为2；VRRPv3对应的版本号为3。

• Type：VRRP报文的类型。VRRPv2和VRRPv3报文只有一种类型，即VRRP通告报文（Advertisement），该字段取值为1。

• Virtual Rtr ID（VRID）：虚拟路由器号（即备份组号），取值范围1～255。

• Priority：路由器在备份组中的优先级，取值范围0～255，数值越大表明优先级越高。

• Count IP Addrs/Count IPv6 Addrs：备份组虚拟IP地址的个数。1个备份组可对应多个虚拟IP地址。

• Auth Type：认证类型。该值为0表示无认证，为1表示简单字符认证，为2表示MD5认证。VRRPv3不支持MD5认证。

• Adver Int：发送通告报文的时间间隔。VRRPv2中单位为秒，缺省为1秒；VRRPv3中单位为厘秒，缺省为100厘秒。

• Checksum：16位校验和，用于检测VRRP报文中的数据破坏情况。

• IP Address/IPv6 Address：备份组虚拟IP地址表项。所包含的地址数定义在Count IP Addrs/Count IPv6 Addrs字段。

• Authentication Data：验证字，目前只用于简单字符认证，对于其它认证方式一律填0。

VRRP工作过程

VRRP的工作过程如下：

(1) 路由器使能VRRP功能后，会根据优先级确定自己在备份组中的角色。优先级高的路由器成为Master路由器，优先级低的成为Backup路由器。Master路由器定期发送VRRP通告报文，通知备份组内的其他路由器自己工作正常；Backup路由器则启动定时器等待通告报文的到来。

(2) 在抢占方式下，当Backup路由器收到VRRP通告报文后，会将自己的优先级与通告报文中的优先级进行比较。如果大于通告报文中的优先级，则成为Master路由器；否则将保持Backup状态。

(3) 在非抢占方式下，只要Master路由器没有出现故障，备份组中的路由器始终保持Master或Backup状态，Backup路由器即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master路由器。

(4) 如果Backup路由器的定时器超时后仍未收到Master路由器发送来的VRRP通告报文，则认为Master路由器已经无法正常工作，此时Backup路由器会认为自己是Master路由器，并对外发送VRRP通告报文。备份组内的路由器根据优先级选举出Master路由器，承担报文的转发功能。

VRRP监视功能

1. 监视指定接口功能

VRRP的监视接口功能更好地扩充了备份功能：不仅能在备份组中某路由器的接口出现故障时提供备份功能，还能在路由器的其它接口（如连接上行链路的接口）不可用时提供备份功能。

路由器连接上行链路的接口出现故障时，备份组无法感知上行链路的故障，如果该路由器此时处于Master状态，将会导致局域网内的主机无法访问外部网络。通过监视指定接口的功能，可以解决该问题。当连接上行链路的接口处于Down或Removed状态时，路由器主动降低自己的优先级，使得备份组内其它路由器的优先级高于这个路由器，以便优先级最高的路由器成为Master，承担转发任务。

2. 监视Track项功能

通过VRRP监视Track项功能，可以实现：

• 根据上行链路的状态，改变路由器的优先级。当上行链路出现故障，局域网内的主机无法通过路由器访问外部网络时，被监视Track项的状态为Negative，并将路由器的优先级降低指定的数额。从而，使得备份组内其它路由器的优先级高于这个路由器的优先级，成为Master路由器，保证局域网内主机与外部网络的通信不会中断。

• 在Backup路由器上监视Master路由器的状态。当Master路由器出现故障时，工作在切换模式的Backup路由器能够迅速成为Master路由器，以保证通信不会中断。

VRRP应用（以基于IPv4的VRRP为例）

1. 主备备份

主备备份方式表示转发任务仅由Master路由器承担。当Master路由器出现故障时，才会从其他Backup路由器选举出一个接替工作。主备备份方式仅需要一个备份组，不同路由器在该备份组中拥有不同优先级，优先级最高的路由器将成为Master路由器，如图 5中所示。

图 5 主备备份VRRP

 

初始情况下，Router A为Master路由器并承担转发任务，Router B和Router C是Backup路由器且都处于就绪监听状态。如果Router A发生故障，则备份组内处于Backup状态的Router B和Router C路由器将根据优先级选出一个新的Master路由器，这个新Master路由器继续向网络内的主机提供路由服务。

2. 负载分担

在路由器的一个接口上可以创建多个备份组，使得该路由器可以在一个备份组中作为Master路由器，在其他的备份组中作为Backup路由器。

负载分担方式是指多台路由器同时承担业务，因此负载分担方式需要两个或者两个以上的备份组，每个备份组都包括一个Master路由器和若干个Backup路由器，各备份组的Master路由器各不相同，如图 6中所示。

图 6 负载分担VRRP

 

同一台路由器同时加入多个VRRP备份组，在不同备份组中有不同的优先级。

在图 6中，有三个备份组存在：

• 备份组1：对应虚拟路由器1。Router A作为Master路由器，Router B和Router C作为Backup路由器。

• 备份组2：对应虚拟路由器2。Router B作为Master路由器，Router A和Router C作为Backup路由器。

• 备份组3：对应虚拟路由器3。Router C作为Master路由器，Router A和Router B作为Backup路由器。

为了实现业务流量在Router A、Router B和Router C之间进行负载分担，需要将局域网内的主机的缺省网关分别设置为虚拟路由器1、2和3。在配置优先级时，需要确保三个备份组中各路由器的VRRP优先级形成交叉对应。