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VRRP技術白皮書
關鍵詞：VRRP、虛擬路由器
摘 要：本文介紹了VRRP的基本原理和典型應用，以及H3C公司VRRP特性解決方案的特點和組網情況。
縮略語：
縮略語 | 英文全名 | 中文解釋 |
VRRP | Virtual Router Redundancy Protocol | 虛擬路由器冗餘協議 |
NQA | Network Quality Analyzer | 網絡質量分析 |
BFD | Bidirectional Forwarding Detection | 雙向轉發檢測 |
IRDP | ICMP Router Discovery Protocol | ICMP路由發現協議 |
VRID | Virtual Router ID | 虛擬路由器號 |
隨著Internet的發展，人們對網絡可靠性的要求越來越高。特別是對於終端用戶來說，能夠實時與網絡其他部分保持聯係是非常重要的。一般來說，主機通過設置默認網關來與外部網絡聯係，如圖1所示：
主機將發送給外部網絡的報文發送給網關，由網關傳遞給外部網絡，從而實現主機與外部網絡的通信。正常的情況下，主機可以完全信賴網關的工作，但是當網關壞掉時，主機與外部的通信就會中斷。要解決網絡中斷的問題，可以依靠再添加網關的方式解決，不過由於大多數主機隻允許配置一個默認網關，此時需要網絡管理員進行手工幹預網絡配置，才能使得主機使用新的網關進行通信；有時，人們運用動態路由協議的方法來解決網絡出現故障這一問題，如運行RIP、OSPF等，或者使用IRDP。然而，這些協議由於配置過於複雜，或者安全性能不好等原因都不能滿足用戶的需求。
為了更好地解決網絡中斷的問題，網絡開發者提出了VRRP，它既不需要改變組網情況，也不需要在主機上做任何配置，隻需要在相關路由器上配置極少的幾條命令，就能實現下一跳網關的備份，並且不會給主機帶來任何負擔。和其他方法比較起來，VRRP更加能夠滿足用戶的需求。
VRRP是一種容錯協議，它保證當主機的下一跳路由器出現故障時，由另一台路由器來代替出現故障的路由器進行工作，從而保持網絡通信的連續性和可靠性。
VRRP具有如下優點：
l 簡化網絡管理。在具有多播或廣播能力的局域網（如以太網）中，借助VRRP能在某台設備出現故障時仍然提供高可靠的缺省鏈路，有效避免單一鏈路發生故障後網絡中斷的問題，而無需修改動態路由協議、路由發現協議等配置信息，也無需修改主機的默認網關配置。
l 適應性強。VRRP報文封裝在IP報文中，支持各種上層協議。
l 網絡開銷小。VRRP隻定義了一種報文——VRRP通告報文，並且隻有處於Master狀態的路由器可以發送VRRP報文。
l 虛擬路由器：由一個Master路由器和多個Backup路由器組成。主機將虛擬路由器當作默認網關。
l VRID：虛擬路由器的標識。有相同VRID的一組路由器構成一個虛擬路由器。
l Master路由器：虛擬路由器中承擔報文轉發任務的路由器。
l Backup路由器：Master路由器出現故障時，能夠代替Master路由器工作的路由器。
l 虛擬IP地址：虛擬路由器的IP地址。一個虛擬路由器可以擁有一個或多個IP地址。
l IP地址擁有者：接口IP地址與虛擬IP地址相同的路由器被稱為IP地址擁有者。
l 虛擬MAC地址：一個虛擬路由器擁有一個虛擬MAC地址。虛擬MAC地址的格式為00-00-5E-00-01-{VRID}。通常情況下，虛擬路由器回應ARP請求使用的是虛擬MAC地址，隻有虛擬路由器做特殊配置的時候，才回應接口的真實MAC地址。
l 優先級：VRRP根據優先級來確定虛擬路由器中每台路由器的地位。
l 非搶占方式：如果Backup路由器工作在非搶占方式下，則隻要Master路由器沒有出現故障，Backup路由器即使隨後被配置了更高的優先級也不會成為Master路由器。
l 搶占方式：如果Backup路由器工作在搶占方式下，當它收到VRRP報文後，會將自己的優先級與通告報文中的優先級進行比較。如果自己的優先級比當前的Master路由器的優先級高，就會主動搶占成為Master路由器；否則，將保持Backup狀態。
VRRP將局域網內的一組路由器劃分在一起，形成一個VRRP備份組，它在功能上相當於一台虛擬路由器，使用虛擬路由器號進行標識。以下使用虛擬路由器代替VRRP備份組進行描述。
虛擬路由器有自己的虛擬IP地址和虛擬MAC地址，它的外在表現形式和實際的物理路由器完全一樣。局域網內的主機將虛擬路由器的IP地址設置為默認網關，通過虛擬路由器與外部網絡進行通信。
虛擬路由器是工作在實際的物理路由器之上的。它由多個實際的路由器組成，包括一個Master路由器和多個Backup路由器。Master路由器正常工作時，局域網內的主機通過Master與外界通信。當Master路由器出現故障時，Backup路由器中的一台設備將成為新的Master路由器，接替轉發報文的工作，如圖2所示。
VRRP的工作過程為：
(1) 虛擬路由器中的路由器根據優先級選舉出Master。Master路由器通過發送免費ARP報文，將自己的虛擬MAC地址通知給與它連接的設備或者主機，從而承擔報文轉發任務；
(2) Master路由器周期性發送VRRP報文，以公布其配置信息（優先級等）和工作狀況；
(3) 如果Master路由器出現故障，虛擬路由器中的Backup路由器將根據優先級重新選舉新的Master；
(4) 虛擬路由器狀態切換時，Master路由器由一台設備切換為另外一台設備，新的Master路由器隻是簡單地發送一個攜帶虛擬路由器的MAC地址和虛擬IP地址信息的免費ARP報文，這樣就可以更新與它連接的主機或設備中的ARP相關信息。網絡中的主機感知不到Master路由器已經切換為另外一台設備。
(5) Backup路由器的優先級高於Master路由器時，由Backup路由器的工作方式（搶占方式和非搶占方式）決定是否重新選舉Master。
由此可見，為了保證Master路由器和Backup路由器能夠協調工作，VRRP需要實現以下功能：
l Master路由器的選舉；
l Master路由器狀態的通告；
l 同時，為了提高安全性，VRRP還提供了認證功能；
下麵將從上述三個方麵詳細介紹VRRP的工作過程。
VRRP根據優先級來確定虛擬路由器中每台路由器的角色（Master路由器或Backup路由器）。優先級越高，則越有可能成為Master路由器。
初始創建的路由器工作在Backup狀態，通過VRRP報文的交互獲知虛擬路由器中其他成員的優先級：
l 如果VRRP報文中Master路由器的優先級高於自己的優先級，則路由器保持在Backup狀態；
l 如果VRRP報文中Master路由器的優先級低於自己的優先級，采用搶占工作方式的路由器將搶占成為Master狀態，周期性地發送VRRP報文，采用非搶占工作方式的路由器仍保持Backup狀態；
l 如果在一定時間內沒有收到VRRP報文，則路由器切換為Master狀態。
VRRP優先級的取值範圍為0到255（數值越大表明優先級越高），可配置的範圍是1到254，優先級0為係統保留給路由器放棄Master位置時候使用，255則是係統保留給IP地址擁有者使用。當路由器為IP地址擁有者時，其優先級始終為255。因此，當虛擬路由器內存在IP地址擁有者時，隻要其工作正常，則為Master路由器。
Master路由器周期性地發送VRRP報文，在虛擬路由器中公布其配置信息（優先級等）和工作狀況。Backup路由器通過接收到VRRP報文的情況來判斷Master路由器是否工作正常。
Master路由器主動放棄Master地位（如Master路由器退出虛擬路由器）時，會發送優先級為0的VRRP報文，致使Backup路由器快速切換變成Master路由器。這個切換的時間稱為Skew time，計算方式為：（256－Backup路由器的優先級）/256，單位為秒。
當Master路由器發生網絡故障而不能發送VRRP報文的時候，Backup路由器並不能立即知道其工作狀況。Backup路由器等待一段時間之後，如果還沒有接收到VRRP報文，那麼會認為Master路由器無法正常工作，而把自己升級為Master路由器，周期性發送VRRP報文。如果此時多個Backup路由器競爭Master路由器的位置，將通過優先級來選舉Master路由器。Backup路由器默認等待的時間稱為Master_Down_Interval，取值為：（3×VRRP報文的發送時間間隔）＋Skew time，單位為秒。
在性能不夠穩定的網絡中，Backup路由器可能因為網絡堵塞而在Master_Down_Interval期間沒有收到Master路由器的報文，而主動搶占為Master位置，如果此時原Master路由器的報文又到達了，就會出現虛擬路由器的成員頻繁的進行Master搶占現象。為了緩解這種現象的發生，特製定了延遲等待定時器。它可以使得Backup路由器在等待了Master_Down_Interval後，再等待延遲等待時間。如在此期間仍然沒有收到VRRP報文，則此Backup路由器才會切換為Master路由器，對外發送VRRP報文。
VRRP提供了三種認證方式：
l 無認證：不進行任何VRRP報文的合法性認證，不提供安全性保障。
l 簡單字符認證：在一個有可能受到安全威脅的網絡中，可以將認證方式設置為簡單字符認證。發送VRRP報文的路由器將認證字填入到VRRP報文中，而收到VRRP報文的路由器會將收到的VRRP報文中的認證字和本地配置的認證字進行比較。如果認證字相同，則認為接收到的報文是合法的VRRP報文；否則認為接收到的報文是一個非法報文。
l MD5認證：在一個非常不安全的網絡中，可以將認證方式設置為MD5認證。發送VRRP報文的路由器利用認證字和MD5算法對VRRP報文進行加密，加密後的報文保存在Authentication Header（認證頭）中。收到VRRP報文的路由器會利用認證字解密報文，檢查該報文的合法性。
VRRP網絡傳輸功能有時需要額外的技術來完善其工作。例如，Master路由器到達某網絡的鏈路突然斷掉時，主機無法通過此Master路由器遠程訪問該網絡。此時，可以通過監視指定接口上行鏈路功能，解決這個問題。當Master路由器發現上行鏈路出現故障後，主動降低自己的優先級（使Master路由器的優先級低於Backup路由器），並立即發送VRRP報文。Backup路由器接收到優先級比自己低的VRRP報文後，等待Skew_Time切換為新的Master路由器。從而，使得能夠到達此網絡的Backup路由器充當VRRP新的Master路由器，協助主機完成網絡通訊。
VRRP可以直接監視連接上行鏈路的接口狀態。當連接上行鏈路的接口down時，將Master路由器降低指定的優先級。VRRP優先級最低可以降低到1。
VRRP可以利用NQA技術監視上行鏈路連接的遠端主機或者網絡狀況。例如，Master設備上啟動NQA的ICMP-echo探測功能，探測遠端主機的可達性。當ICMP-echo探測失敗時，它可以通知本設備探測結果，達到降低VRRP優先級的目的。
VRRP也可以利用BFD技術監視上行鏈路連接的遠端主機或者網絡狀況。由於BFD的精度可以到達10ms，通過BFD能夠快速檢測到鏈路狀態的變化，達到快速搶占的目的。例如，可以在Master路由器上使用BFD技術監視上行設備的物理狀態，在上行設備壞掉之後，快速檢測到該變化，並降低Master路由器的優先級，致使Backup路由器等待Skew time後，搶占成為新的Master路由器。
Backup路由器在Master路由器壞掉之後，正常情況下需要等待Master_Down_Interval才能切換為新的Master的位置，這段時間內主機將無法正常通信，因為此時沒有Master設備替它轉發報文。為了解決這個網絡故障，Backup設備提供了一個監聽Master工作狀態的功能，使得Master路由器壞掉之後Backup能夠立即切換成為新的Master路由器，維持網絡通訊。
Backup路由器監視Master路由器采用的是具有快速檢測功能的BFD技術。在Backup設備上使用該技術監視Master路由器的狀態，一旦Master路由器發生故障，Backup就可以自動切換成為新的Master路由器，將切換時間縮短到毫秒級。
主備備份方式表示業務僅由Master路由器承擔。當Master路由器出現故障時，才會由選舉出來的Backup路由器接替它工作。如圖3中所示。
初始情況下，Device A是Master路由器並承擔轉發任務，Device B和Device C是Backup路由器且都處於就緒監聽狀態。如果Device A發生故障，則虛擬路由器內處於Backup狀態的Device B和Device C路由器將根據優先級選出一個新的Master路由器，這個新Master路由器繼續為網絡內的主機轉發數據。
在路由器的一個接口上可以創建多個虛擬路由器，使得該路由器可以在一個虛擬路由器中作為Master路由器，同時在其他的虛擬路由器中作為Backup路由器。
負載分擔方式是指多台路由器同時承擔業務，因此負載分擔方式需要兩個或者兩個以上的虛擬路由器，每個虛擬路由器都包括一個Master路由器和若幹個Backup路由器，各虛擬路由器的Master路由器可以各不相同，如圖4中所示。
在圖4中，有三個虛擬路由器存在：
l 虛擬路由器1：Device A作為Master路由器，Device B和Device C作為Backup路由器。
l 虛擬路由器2：Device B作為Master路由器，Device A和Device C作為Backup路由器。
l 虛擬路由器3：Device C作為Master路由器，Device A和Device B作為Backup路由器。
為了實現業務流量在Device A、Device B和Device C之間進行負載分擔，需要將局域網內的主機的默認網關分別設置為虛擬路由器1、2和3。在配置優先級時，需要確保三個虛擬路由器中各路由器的VRRP優先級形成一定的交叉，使得一台路由器盡可能不同時充當2個Master路由器。
VRRP可以通過BFD或NQA等快速檢測協議監視一些上行敏感鏈路，使得Master路由器快速地發現網絡故障，降低自身的優先級，從而保證上行鏈路工作正常的Backup路由器能夠接替它的工作。
圖5 Master監視上行鏈路
如圖5所示，初始情況下，Device A作為Master路由器，承擔轉發任務；Device B為Backup路由器，處於就緒監聽狀態。Device A使用BFD監視上行到達Internet的鏈路狀態。如果Device A的上行鏈路發生故障，Device A可以在毫秒級感知到網絡變化，立即發送低優先級的VRRP報文給Device B。如果此時Device B的優先級高於報文中的優先級，那麼它將在Skew Time時間之後切換為新的Master路由器，之後由這個新的Master路由器為網絡內的主機轉發數據。
為了保證網絡傳輸的穩定性，可以在Backup設備上使用BFD技術監視Master的狀態，使得Master設備發生故障時，Backup設備能夠立即切換為新的Master設備。
圖6 Backup監視Master狀態
如圖6中所示，初始情況下，Device A作為Master路由器，承擔轉發任務；Device B是Backup路由器，處於就緒監聽狀態。Device B使用BFD監視Device A上IP地址10.1.1.1的可達性。如果Device A發生故障，Device B可以立即通過BFD感知到對端的變化，主動切換成為新的Master設備，之後這個新Master路由器將為網絡內的主機轉發數據。
l RFC 3768：Virtual Router Redundancy Protocol (VRRP)
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