[Keepalived] VRRP协议介绍

VRRP协议介绍

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来源： http://yfydz.cublog.cn

参考资料: RFC 3768

1. 前言

VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)协议是用于实现路由器冗余的协议，最新协议在RFC3768中定义，原来的定义RFC2338被废除，新协议相对还简化了一些功能。

2. 协议说明

2.1 协议

VRRP协议是为消除在静态缺省路由环境下的缺省路由 器单点故障引起的网络失效而设计的主备模式的协议，使得在发生故障而进行设备功能切换时可以不影响内外数据通信，不需要再修改内部网络的网络参数。 VRRP协议需要具有IP地址备份，优先路由选择，减少不必要的路由器间通信等功能。

VRRP协议将两台或多台路由器设备虚拟成一个设备，对外提供虚拟路由器IP(一个或多个)，而在路由器组内部，如果实际拥有这个对外IP的路由器如果工 作正常的话就是MASTER，或者是通过算法选举产生，MASTER实现针对虚拟路由器IP的各种网络功能，如ARP请求，ICMP，以及数据的转发等； 其他设备不拥有该IP，状态是BACKUP，除了接收MASTER的VRRP状态通告信息外，不执行对外的网络功能。当主机失效时，BACKUP将接管原 先MASTER的网络功能。

配置VRRP协议时需要配置每个路由器的虚拟路由器ID(VRID)和优先权值，使用VRID将路由器进行分组，具有相同VRID值的路由器为同一个 组，VRID是一个0～255的正整数；同一组中的路由器通过使用优先权值来选举MASTER，优先权大者为MASTER，优先权也是一个0～255的正 整数。

VRRP协议使用多播数据来传输VRRP数据，VRRP数据使用特殊的虚拟源MAC地址发送数据而不是自身网卡的MAC地址，VRRP运行时只有 MASTER路由器定时发送VRRP通告信息，表示MASTER工作正常以及虚拟路由器IP(组)，BACKUP只接收VRRP数据，不发送数据，如果一 定时间内没有接收到MASTER的通告信息，各BACKUP将宣告自己成为MASTER，发送通告信息，重新进行MASTER选举状态。

2.2 MASTER选举
如果对外的虚拟路由器IP就是路由器本身配置的IP地址的话，该路由器始终都是MASTER；
否则如果不具备虚拟IP的话，将进行MASTER选举，各路由器都宣告自己是MASTER，发送VRRP通告信息；
如果收到其他机器的发来的通告信息的优先级比自己高，将转回BACKUP状态；
如果优先级相等的话，将比较路由器的实际IP，IP值较大的优先权高；
不过如果对外的虚拟路由器IP就是路由器本身的IP的话，该路由器始终将是MASTER，这时的优先级值为255。

2.3 协议状态机

VRRP协议状态比较简单，就三种状态，初始化，主机，备份机。

1.                       +---------------+
   
2.            +--------->|               |<-------------+
   
3.            |          |  Initialize   |              |
   
4.            |   +------|               |----------+   |
   
5.            |   |      +---------------+          |   |
   
6.            |   |                                 |   |
   
7.            |   V                                 V   |
   
8.    +---------------+                       +---------------+
   
9.    |               |---------------------->|               |
   
10.    |    Master     |                       |    Backup     |
    
11.    |               |<----------------------|               |
    
12.    +---------------+                       +---------------+

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初始化：
路由器启动时，如果路由器的优先级是255(最高优先级，路由器拥有路由器地址)，要发送VRRP通告信息，并发送广播ARP信息通告路由器IP地址对应的MAC地址为路由虚拟MAC，设置通告信息定时器准备定时发送VRRP通告信息，转为MASTER状态；
否则进入BACKUP状态，设置定时器检查定时检查是否收到MASTER的通告信息。

主机：
主机状态下的路由器要完成如下功能：
设置定时通告定时器；
用VRRP虚拟MAC地址响应路由器IP地址的ARP请求；
转发目的MAC是VRRP虚拟MAC的数据包；
如果是虚拟路由器IP的拥有者，将接受目的地址是虚拟路由器IP的数据包，否则丢弃；
当收到shutdown的事件时删除定时通告定时器，发送优先权级为0的通告包，转初始化状态；
如果定时通告定时器超时时，发送VRRP通告信息；
收到VRRP通告信息时，如果优先权为0，发送VRRP通告信息；否则判断数据的优先级是否高于本机，或相等而且实际IP地址大于本地实际IP，设置定时通告定时器，复位主机超时定时器，转BACKUP状态；否则的话，丢弃该通告包；

备机：
备机状态下的路由器要实现以下功能：
设置主机超时定时器；
不能响应针对虚拟路由器IP的ARP请求信息；
丢弃所有目的MAC地址是虚拟路由器MAC地址的数据包；
不接受目的是虚拟路由器IP的所有数据包；
当收到shutdown的事件时删除主机超时定时器，转初始化状态；
主机超时定时器超时的时候，发送VRRP通告信息，广播ARP地址信息，转MASTER状态；
收到VRRP通告信息时，如果优先权为0，表示进入MASTER选举；否则判断数据的优先级是否高于本机，如果高的话承认MASTER有效，复位主机超时定时器；否则的话，丢弃该通告包；

2.4 ARP查询处理

当内部主机通过ARP查询虚拟路由器IP地址对应的MAC地址时，MASTER路由器回复的MAC地址为虚拟的VRRP的MAC地址，而不是实际网卡的MAC地址，这样在路由器切换时让内网机器觉察不到；而在路由器重新启动时，不能主动发送本机网卡的实际MAC地址。如果虚拟路由器开启的ARP代理(proxy_arp)功能，代理的ARP回应也回应VRRP虚拟MAC地址；

2.5 VRRP应用举例

1.             +-----------+      +-----------+
   
2.             |   Rtr1    |      |   Rtr2    |
   
3.             |(MR VRID=1)|      |(BR VRID=1)|
   
4.             |(BR VRID=2)|      |(MR VRID=2)|
   
5.     VRID=1  +-----------+      +-----------+  VRID=2
   
6.     IP A ---------->*            *<---------- IP B
   
7.                     |            |
   
8.                     |            |
   
9.   ------------------+------------+-----+--------+--------+--------+--
   
10.                                        ^        ^        ^        ^
    
11.                                        |        |        |        |
    
12.                                      (IP A)   (IP A)   (IP B)   (IP B)
    
13.                                        |        |        |        |
    
14.                                     +--+--+  +--+--+  +--+--+  +--+--+
    
15.                                     |  H1 |  |  H2 |  |  H3 |  |  H4 |
    
16.                                     +-----+  +-----+  +--+--+  +--+--+
    
17.      Legend:
    
18.               ---+---+---+--  =  Ethernet, Token Ring, or FDDI
    
19.                            H  =  Host computer
    
20.                           MR  =  Master Router
    
21.                           BR  =  Backup Router
    
22.                            *  =  IP Address
    
23.                         (IP)  =  default router for hosts

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这是通常VRRP使用拓扑，两台路由器运行VRRP互为备份，路由器1作为VRID组1的MASTER，IP地址A，VRID组2的BACKUP，路由器 2作为VRID组2的MASTER，IP地址B，VRID组1的BACKUP，内部网络中一部分机器的缺省网关地址是IP地址A，一部分是IP地址B，正 常情况下以A为网关的数据将走路由器1，以B为网关的数据将走路由器2，如果一台路由器发生故障，所有数据将走另一台路由器。

3. 协议定义

3.1 以太头

源MAC地址必须为虚拟MAC地址：00-00-5E-00-01-{VRID}，VRID为虚拟路由器ID值，16进制格式，所以同一网段中最多有255个VRRP路由器；目的MAC为多播类型的MAC。

这里可以看出VRID非常重要


3.2 IP头参数

VRRP包的源地址是本机地址，目的地址必须为224.0.0.18，为一多播地址；IP协议号为112；IP包的TTL值必须为255。

3.3 VRRP协议数据格式

1.     0                   1                   2                   3
   
2.     0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   
3.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   
4.    |Version| Type  | Virtual Rtr ID|   Priority    | Count IP Addrs|
   
5.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   
6.    |   Auth Type   |   Adver Int   |          Checksum             |
   
7.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   
8.    |                         IP Address (1)                        |
   
9.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   
10.    |                            .                                  |
    
11.    |                            .                                  |
    
12.    |                            .                                  |
    
13.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    
14.    |                         IP Address (n)                        |
    
15.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    
16.    |                     Authentication Data (1)                   |
    
17.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    
18.    |                     Authentication Data (2)                   |
    
19.    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

复制代码

其中：
version：版本，4位，在RFC3768中定义为2；
Type：类型，4位，目前只定义一种类类型：通告数据，取值为1；
Virtual Rtr ID：虚拟路由器ID，8位
Priority：优先级，8位，具备冗余IP地址的设备的优先级为255；
Count IP Addrs：VRRP包中的IP地址数量，8位；
Auth Type：认证类型，8位，RFC3768中认证功能已经取消，此字段值定义0(不认证)，为1，2只作为对老版本的兼容；
Adver Int：通告包的发送间隔时间，8位，单位是秒，缺省是1秒；
Checksum：校验和，16位，校验数据范围只是VRRP数据，即从VRRP的版本字段开始的数据，不包括IP头；
IP Address(es)：和虚拟路由器相关的IP地址，数量由Count IP Addrs决定
Authentication Data：RFC3768中定义该字段只是为了和老版本兼容，必须置0。

3.4 接收数据时的必须检查

收到VRRP数据包时要进行以下验证，不满足的数据包将被丢弃：
   -  TTL必须为255；
   -  VRRP版本号必须为2；
   -  一个包中数据字段必须完整；
   -  校验和必须正确；
   -  必须验证在接收的网卡上配置了VRID值，而且本地路由器不是路由IP地址的拥有者
   -  必须验证VVRP认证类型和配置的一致；


4. 结论

VRRP实现了对路由器IP地址的冗余功能，防止了单点故障造成的网络失效，VRRP本身是热备形式的，但可以通过互相热备实现路由器的均衡处理，新版的 VRRP较老版简化了认证处理，实际不再进行数据的认证，这是因为在实际应用中经常出现认证成为造成多个MASTER同时使用的异常情况。