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VRRP高可用

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VRRP高可用
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一

VRRP簡介

1.1 定義

虛擬路由冗余協(xié)議VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）通過把幾臺路由設(shè)備聯(lián)合組成一臺虛擬的路由設(shè)備，將虛擬路由設(shè)備的IP地址作為用戶的默認網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)生故障時，VRRP機制能夠選舉新的網(wǎng)關(guān)設(shè)備承擔(dān)數(shù)據(jù)流量，從而保障網(wǎng)絡(luò)的可靠通信。

1.2 目的

隨著網(wǎng)絡(luò)的快速普及和相關(guān)應(yīng)用的日益深入，各種增值業(yè)務(wù)（如IPTV、視頻會議等）已經(jīng)開始廣泛部署，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的可靠性日益成為用戶關(guān)注的焦點，能夠保證網(wǎng)絡(luò)傳輸不中斷對于終端用戶非常重要。
通常，同一網(wǎng)段內(nèi)的所有主機上都設(shè)置一條相同的、以網(wǎng)關(guān)為下一跳的缺省路由。主機發(fā)往其他網(wǎng)段的報文將通過缺省路由發(fā)往網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)主機與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)生故障時，本網(wǎng)段內(nèi)所有以網(wǎng)關(guān)為缺省路由的主機將無法與外部網(wǎng)絡(luò)通信。增加出口網(wǎng)關(guān)是提高系統(tǒng)可靠性的常見方法，此時如何在多個出口之間進行選路就成為需要解決的問題。
VRRP的出現(xiàn)很好的解決了這個問題。VRRP能夠在不改變組網(wǎng)的情況下，將多臺路由設(shè)備組成一個虛擬路由器，通過配置虛擬路由器的IP地址為默認網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)默認網(wǎng)關(guān)的備份。

1.3 優(yōu)點

1）冗余備份
VRRP可以將多臺路由設(shè)備配置為缺省網(wǎng)關(guān)路由器，當(dāng)出現(xiàn)單點故障的時候通過備份鏈路進行業(yè)務(wù)傳輸，從而降低網(wǎng)絡(luò)故障的可能性，保證用戶的各種業(yè)務(wù)不中斷傳輸。
2）負載分擔(dān)
VRRP可以實現(xiàn)多臺設(shè)備同時承擔(dān)業(yè)務(wù)流量，從而減輕主用設(shè)備上數(shù)據(jù)流量的承載壓力，在路由設(shè)備之間更均衡地分擔(dān)流量。

3）聯(lián)動功能

  • VRRP聯(lián)動可以監(jiān)視上行鏈路的故障。當(dāng)上行接口或鏈路故障時，VRRP備份組的Master設(shè)備降低優(yōu)先級，重新進行選舉，確保Master路由器為最佳的VRRP路由設(shè)備，保證流量的正常轉(zhuǎn)發(fā)。

  • VRRP與BFD聯(lián)動可以提高VRRP備份組中主備設(shè)備的切換速度。利用BFD檢測速度快的特點，在Master設(shè)備和Backup設(shè)備之間建立BFD會話并與VRRP備份組進行綁定，實現(xiàn)Master設(shè)備和Backup設(shè)備之間的鏈路出現(xiàn)故障時，Backup設(shè)備迅速切換為Master，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)流量。

二

VRRP基本概念

如下圖圖1所示，HostA通過Switch1雙歸到SwitchA和SwitchB。在SwitchA和SwitchB上配置VRRP備份組，對外體現(xiàn)為一臺虛擬路由器，實現(xiàn)冗余備份。VRRP協(xié)議報文封裝在IP報文中，擁有專門的VRRP組播地址。在IP報文頭中，源地址為發(fā)送報文接口的主IP地址（不是虛擬IP地址），目的地址是224.0.0.18，TTL是255，協(xié)議號是112。
主IP地址（Primary IP Address）：從接口的真實IP地址中選出來的一個主用IP地址，通常選擇配置的第一個IP地址。

目前，VRRP協(xié)議包括兩個版本：VRRPv2和VRRPv3。

  • VRRPv2僅適用于IPv4網(wǎng)絡(luò)；
  • VRRPv3適用于IPv4和IPv6兩種網(wǎng)絡(luò)。

基于不同的網(wǎng)絡(luò)類型，VRRP可以分為VRRP for IPv4和VRRP for IPv6（簡稱VRRP6）。

圖1 VRRP備份組示意圖

在如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中部署VRRP協(xié)議，下面結(jié)合該圖介紹VRRP協(xié)議的基本概念：

  • VRRP路由器（VRRP Router）
    運行VRRP協(xié)議的設(shè)備。
  • 虛擬路由器（Virtual Router）
    又稱VRRP備份組，由一個Master設(shè)備和多個Backup設(shè)備組成，被當(dāng)作一個共享局域網(wǎng)內(nèi)主機的缺省網(wǎng)關(guān)。如SwitchA和SwitchB共同組成了一個虛擬路由器。
  • Master路由器（Virtual Router Master）
    承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)報文任務(wù)的VRRP設(shè)備，如SwitchA。
  • Backup路由器（Virtual Router Backup）
    一組沒有承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的VRRP設(shè)備，當(dāng)Master設(shè)備出現(xiàn)故障時，它們將通過競選成為新的Master設(shè)備，如SwitchB。
  • VRID
    虛擬路由器的標識。如SwitchA和SwitchB組成的虛擬路由器的VRID為1。
  • 虛擬IP地址(Virtual IP Address)
    虛擬路由器的IP地址，一個虛擬路由器可以有一個或多個IP地址，由用戶配置。如SwitchA和SwitchB組成的虛擬路由器的虛擬IP地址為10.1.1.10/24。
  • IP地址擁有者（IP Address Owner）
    如果一個VRRP設(shè)備將虛擬路由器IP地址作為真實的接口地址，則該設(shè)備被稱為IP地址擁有者。如果IP地址擁有者是可用的，通常它將成為Master。如SwitchA，其接口的IP地址與虛擬路由器的IP地址相同，均為10.1.1.10/24，因此它是這個VRRP備份組的IP地址擁有者。
  • 虛擬MAC地址（Virtual MAC Address）
    虛擬路由器根據(jù)VRID生成的MAC地址。一個虛擬路由器擁有一個虛擬MAC地址，格式為：00-00-5E-00-01-{VRID}(VRRP for IPv4)或00-00-5E-00-02-{VRID}(VRRP for IPv6)。當(dāng)虛擬路由器回應(yīng)ARP請求時，使用虛擬MAC地址，而不是接口的真實MAC地址。如SwitchA和SwitchB組成的虛擬路由器的VRID為1，因此這個VRRP備份組的MAC地址為00-00-5E-00-01-01。
三

VRRP工作原理

3.1 VRRP的狀態(tài)機

VRRP協(xié)議中定義了三種狀態(tài)機：

  • 初始狀態(tài)（Initialize）
  • 活動狀態(tài)（Master）
  • 備份狀態(tài)（Backup）
其中，只有處于活動狀態(tài)的設(shè)備才可以轉(zhuǎn)發(fā)那些發(fā)送到虛擬IP地址的報文。VRRP狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 VRRP狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

  • Initialize
    該狀態(tài)為VRRP不可用狀態(tài)，在此狀態(tài)時設(shè)備不會對VRRP報文做任何處理。
    通常剛配置VRRP時或設(shè)備檢測到故障時會進入Initialize狀態(tài)。
  • Master
    當(dāng)VRRP設(shè)備處于Master狀態(tài)時處理發(fā)送VRRP通告報文，響應(yīng)對虛擬IP地址的ARP請求。
    轉(zhuǎn)發(fā)目的MAC地址為虛擬MAC地址的IP報文，當(dāng)接收到接口的Shutdown事件時，轉(zhuǎn)為Initialize狀態(tài)。
  • Backup
    當(dāng)VRRP設(shè)備處于Backup狀態(tài)時接收Master發(fā)送的VRRP通告報文，判斷Master的狀態(tài)是否正常。
    對虛擬IP地址的ARP請求，不做響應(yīng)，目的IP地址為虛擬IP地址的IP報文時按照正常二層轉(zhuǎn)發(fā)流程進行處理。當(dāng)接收到MASTER_DOWN_TIMER定時器超時的消息時，Backup狀態(tài)才會轉(zhuǎn)為Master狀態(tài)。當(dāng)接收到接口的Shutdown消息時，轉(zhuǎn)為Initialize狀態(tài)。

3.2 VRRP工作過程

VRRP的工作過程如下：

  • VRRP備份組中的設(shè)備根據(jù)優(yōu)先級選舉出Master。Master設(shè)備通過發(fā)送免費ARP報文，將虛擬MAC地址通知給與它連接的設(shè)備或者主機，從而承擔(dān)報文轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。
  • Master設(shè)備周期性向備份組內(nèi)所有Backup設(shè)備發(fā)送VRRP通告報文，以公布其配置信息（優(yōu)先級等）和工作狀況。
  • 如果Master設(shè)備出現(xiàn)故障，VRRP備份組中的Backup設(shè)備將根據(jù)優(yōu)先級重新選舉新的Master。
  • VRRP備份組狀態(tài)切換時，Master設(shè)備由一臺設(shè)備切換為另外一臺設(shè)備，新的Master設(shè)備會立即發(fā)送攜帶虛擬路由器的虛擬MAC地址和虛擬IP地址信息的免費ARP報文，刷新與它連接的主機或設(shè)備中的MAC表項，從而把用戶流量引到新的Master設(shè)備上來，整個過程對用戶完全透明。

  • 原Master設(shè)備故障恢復(fù)時，若該設(shè)備為IP地址擁有者（優(yōu)先級為255），將直接切換至Master狀態(tài)。若該設(shè)備優(yōu)先級小于255，將首先切換至Backup狀態(tài)，且其優(yōu)先級恢復(fù)為故障前配置的優(yōu)先級。

四

VRRP心跳線

如下圖圖3所示，在VRRP+STP場景中，SwitchA和SwitchB上配置VRRP備份組。若與用戶相連的Switch1不能轉(zhuǎn)發(fā)VRRP協(xié)議報文（如配置了未知組播丟棄），或者為了防止VRRP協(xié)議報文（心跳報文）所經(jīng)過的鏈路不通或不穩(wěn)定，可以在SwitchA和SwitchB之間部署一條心跳線，用于傳遞VRRP協(xié)議報文。
由于配置了心跳線之后，需要將Interface1和Interface2加入與VRRP備份組相對應(yīng)的VLAN（例如，VRRP備份組配置在VLANIF100接口下，則需要配置Interface1和Interface2加入VLAN100），SwitchA、SwitchB和Switch1之間會存在環(huán)路，因此還需要配置破環(huán)協(xié)議來破除環(huán)路（例如，可以配置STP協(xié)議來破除環(huán)路）。

圖3 VRRP心跳線示意圖

五

配置VRRP主備備份示例

5.1 組網(wǎng)需求

如下圖圖4所示，HostA通過Switch雙歸屬到SwitchA和SwitchB。為保證用戶的各種業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中不中斷，需在SwitchA和SwitchB上配置VRRP主備備份功能。
正常情況下，主機以SwitchA為默認網(wǎng)關(guān)接入Internet，當(dāng)SwitchA故障時，SwitchB接替SwitchA作為網(wǎng)關(guān)繼續(xù)進行工作，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的冗余備份。

SwitchA故障恢復(fù)后，其延時20秒通過搶占的方式重新成為Master，承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 配置VRRP主備備份組網(wǎng)圖
配置AR3：
[Huawei]sysn
[Huawei]sysname AR3
[AR3]interface g0/0/0
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]ip add
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]ip address 10.1.1.2 24
[AR3]interface g0/0/1
[AR3-GigabitEthernet0/0/1]ip add 172.16.2.1 24
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 10.1.1.111
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 preempt-mode
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 priority 120
[AR3-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 preempt-mode timer delay 60
配置AR4：
sys
[Huawei]sysname AR4
[AR4]interface g0/0/0
[AR4-GigabitEthernet0/0/0]ip address 10.1.1.1 24
[AR4-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1
[AR4-GigabitEthernet0/0/1]ip add 172.16.1.1 24
[AR4-GigabitEthernet0/0/1]int g0/0/0
[AR4-GigabitEthernet0/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 10.1.1.111
配置AR2：
sys
[Huawei]sysname AR2
[AR2]interface g0/0/0
[AR2-GigabitEthernet0/0/0]ip add 172.16.2.2 24
[AR2-GigabitEthernet0/0/0]int g0/0/1
[AR2-GigabitEthernet0/0/1]ip add 172.16.1.2 24
[AR2]interface g0/0/2
[AR2-GigabitEthernet0/0/2]ip add 192.168.237.135 24
配置OSPF使網(wǎng)絡(luò)互通：
AR2：
[AR2]ospf 1
[AR2-ospf-1]area 0.0.0.0
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.1.0 0.0.0.255
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.2.0 0.0.0.255
[AR2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 192.168.237.0 0.0.0.255
AR3：
[AR3]ospf 1
[AR3-ospf-1]area 0
[AR3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.2.0 0.0.0.255
[AR3-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.1.
AR4：
[AR4]ospf 1
[AR4-ospf-1]area 0
[AR4-ospf-1-area-0.0.0.0]network 172.16.1.0 0.0.0.255
[AR4-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.1.1.0 0.0.0.
測試結(jié)果：
從PC段ping192.168.237.131。
Master節(jié)點：
Backup節(jié)點：
斷掉交換機到master的接口：
Master狀態(tài)：master切換到備。
測試丟包率：因為測試的是外部服務(wù)器，加上設(shè)備性能問題，顯示丟包有點多。
在生產(chǎn)環(huán)境丟包最多不超過2個，或者誤丟包，全程用戶是無感知的。
切回到正常狀態(tài)：


本文作者：彭 杰(上海新炬中北團隊）

本文來源：“IT那活兒”公眾號

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