虚拟路由器冗余协议【原理篇】VRRP详解

 

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---虚拟路由器冗余协议

VRRP简介（转发机制）

1. VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）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

 

 

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

                  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。           

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

  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。

 

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

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223.0.0.18，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

VRRP工作过程总结：

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设备自己工作正常；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基本配置

 配置VRRP组

  要启用VRRP，最基本的配置就是要创建VRRP组，并为VRRP组配置虚拟IP地址

 Vrrp group-number ip ip-address [secondary]

    group-number 为VRRP组的编号。即VRID 范围1~255,

    ip-address    虚拟IP地址。

Secondary    辅助IP地址

需要在主路由器和备份路由器上配置

 

 配置VRRP优先级

如果希望指定某台路由器称为主路由器，可以手工调整其优先级

 Vrrp group-number priority number

     Group-number  VRRP组号 VIRD

     Priority   表示优先级

     Number  表示优先级 范围,0~255，默认为100，但是0被保留为特殊用途，255表示IP地址拥有者。

优先级的配置在没有IP地址拥有者的情况下。想让哪台路由器成为主路由器就在哪台路由器上配置

 配置VRRP接口跟踪

 

如上图所示：RA为主路由器，RB为备份路由器，但是当RA上的接口S0发生故障时，RA依然从接口E0发送通告报文，声明自己为主路由器，但是RA实际上已经不能进行转发了。也就是说路由器网路中不能判定路由器接口是否发生了故障。

     VRRP接口跟踪机制就是检测接口故障的一种机制。配置了接口跟踪机制的路由器，当自己的接口发生故障时会将自己的路由器优先级降低，从而使自己从主路由器变为备份路由器，然后原来的备份路由器此时将成为主路由器。

  Vrrp group-nunmber track interface [priority-decrement]

 priority-decrement为降低的优先级数

注意： priority-decrement是降低了多少而不是降低到多少，比如priority-decrement为30，那么此路由器的优先级在原来基础上降低30.

 

配置VRRP抢占模式

抢占模式： 指当原来的路由器从故障中回复并接入到网络层后，配置了VRRP抢占模式的路由器将夺回原来属于自己的角色（主路由器），如果没有配置，回复之后将保持备份路由器的状态。

   推荐使用启用抢占模式

vrrp group-number preempt  {delay [Delay-time] }

Delay  取值范围为1～255之间，如果不配置delay时间，那么其默认值为0秒。

delay-time 为延迟抢占的时间即从该路由器发现自己的优先级大于MASTER的优先级开始  经过delay-time这样长的一段时间之后才允许抢占。

在主路由器中配置该命令

配置VRRP定时器

  VRRP定时器可以修改通告报文的发送时间

vrrp group-number timers advertise vrrp-advertise-interval

     adver_interval为设置定时器adver_timer的时间间隔。MASTER每隔这样一个时间间隔，就会发送一个advertisement报文以通知组内其他路由器自己工作正常，

       vrrp-advertise-interval的取值范围为0～254。

在主路由器上配置

配置VRRP定时学习功能

   配置此命令的路由器会学习发送通告报文时间，进而计算出失效间隔，否则默认3s，

这条命令对于上面的配置VRRP定时器，在主路由器中配置了发送时间间隔，那么在备份路由器上就需要配置定时学习功能来计算失效间隔，因为失效间隔是发送时间的3倍

vrrp group-number times learn

VRRP负载均衡

在一组VRRP组中，主路由器承担数据转发任务的同时，备份路由器的链路将处于空闲状态，这必然造成了带宽资源的浪费。为了避免这种浪费，使用VRRP负载均衡。

   VRRP负载均衡是通过实现将路由器加入到多个VRRP组实现的，使VRRP路由器在不同的组中担任不同的角色。

如下图所示：RA为组35的主路由器，同时又是组36的备份路由器

            RB为组36的主路由器，同时又是组35的备份路由器。

在正常状态下，ＰＣ１、PC2走RA，PC3和PC4走ＲＢ，但是两个路由器一旦出现故障，就将网关切换到备份路由器。ＲＡ和ＲＢ可以说是相辅相成的。

　　ＶＲＲＰ并不具备对流量进行监控的机制，它的负载均衡只是通过使用多个ＶＲＲＰ组来实现的。