VRRP概述

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随着Internet的发展,人们对网络的可靠性的要求越来越高。对于局域网用户来说,能够时刻与外部网络保持联系是非常重要的。

通常情况下,内部网络中的所有主机都设置一条相同的缺省路由,指向出口网关(即图1中的路由器RouterA),实现主机与外部网络的通信。当出口网关发生故障时,主机与外部网络的通信就会中断。

配置多个出口网关是提高系统可靠性的常见方法,但局域网内的主机设备通常不支持动态路由协议,如何在多个出口网关之间进行选路是个问题。

VRRP-1

IETF(Internet Engineering Task Force,因特网工程任务组)推出了VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)虚拟路由冗余协议,来解决局域网主机访问外部网络的可靠性问题。

VRRP是一种容错协议,它通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备,并通过一定的机制来保证当主机的下一跳设备出现故障时,可以及时将业务切换到其它设备,从而保持通讯的连续性和可靠性。

使用VRRP的优势在于:既不需要改变组网情况,也不需要在主机上配置任何动态路由或者路由发现协议,就可以获得更高可靠性的缺省路由。

VRRP协议对应的是RFC3768,该协议仅适用于IPv4。

VRRP的基本概念

以下是与VRRP协议相关的基本概念:

概念

解释

VRRP路由器(VRRP Router运行VRRP的设备,它可能属于一个或多个虚拟路由器。
虚拟路由器(Virtual Router)由VRRP管理的抽象设备,又称为VRRP备份组,被当作一个共享局域网内主机的缺省网关。
它包括了一个虚拟路由器标识符和一组虚拟IP地址。
虚拟IP地址(Virtual IP Address)虚拟路由器的IP地址,一个虚拟路由器可以有一个或多个IP地址,由用户配置。
IP地址拥有者(IP Address Owner)如果一个VRRP路由器将虚拟路由器的IP地址作为真实的接口地址,则该设备是IP地址拥有者。
当这台设备正常工作时,它会响应目的地址是虚拟IP地址的报文,如ping、TCP连接等。
虚拟MAC地址是虚拟路由器根据虚拟路由器ID生成的MAC地址。
一个虚拟路由器拥有一个虚拟MAC地址,格式为:00-00-5E-00-01-{VRID}。
当虚拟路由器回应ARP请求时,使用虚拟MAC地址,而不是接口的真实MAC地址。
主IP地址(Primary IP Address)从接口的真实IP地址中选出来的一个主用IP地址,通常选择配置的第一个IP地址。
VRRP广播报文使用主IP地址作为IP报文的源地址。
Master路由器(Virtual Router Master)是承担转发报文或者应答ARP请求的VRRP路由器,转发报文都是发送到虚拟IP地址的。
如果IP地址拥有者是可用的,通常它将成为Master。
Backup路由器(Virtual Router Backup)一组没有承担转发任务的VRRP路由器,当Master设备出现故障时,它们将通过竞选成为新的Master。
抢占模式在抢占模式下,如果Backup的优先级比当前Master的优先级高,将主动将自己升级成Master。

 

VRRP的工作原理

 

VRRP将局域网的一组路由器构成一个备份组,相当于一台虚拟路由器。局域网内的主机只需要知道这个虚拟路由器的IP地址,并不需知道具体某台设备的IP地址,将网络内主机的缺省网关设置为该虚拟路由器的IP地址,主机就可以利用该虚拟网关与外部网络进行通信。

VRRP将该虚拟路由器动态关联到承担传输业务的物理路由器上,当该物理路由器出现故障时,再次选择新路由器来接替业务传输工作,整个过程对用户完全透明,实现了内部网络和外部网络不间断通信。

VRR2287
如图1所示,虚拟路由器的组网环境如下:

  • RouterA、RouterB和RouterC属于同一个VRRP组,组成一个虚拟路由器,这个虚拟路由器有自己的IP地址10.110.10.1。虚拟IP地址可以直接指定,也可以借用该VRRP组所包含的路由器上某接口地址。
  • 物理路由器RouterA、RouterB和RouterC的实际IP地址分别是10.110.10.5、10.110.10.6和10.110.10.7。
  • 局域网内的主机只需要将缺省路由设为10.110.10.1即可,无需知道具体路由器上的接口地址。

主机利用该虚拟网关与外部网络通信。路由器工作机制如下:

  • 根据优先级的大小挑选Master设备。Master的选举有两种方法:
    • 比较优先级的大小,优先级高者当选为Master。
    • 当两台优先级相同的路由器同时竞争Master时,比较接口IP地址大小。接口地址大者当选为Master。
  • 其它路由器作为备份路由器,随时监听Master的状态。
    • 当主路由器正常工作时,它会每隔一段时间(Advertisement_Interval)发送一个VRRP组播报文,以通知组内的备份路由器,主路由器处于正常工作状态。
    • 当组内的备份路由器一段时间(Master_Down_Interval)内没有接收到来自主路由器的报文,则将自己转为主路由器。一个VRRP组里有多台备份路由器时,短时间内可能产生多个Master,此时,路由器将会将收到的VRRP报文中的优先级与本地优先级做比较。从而选取优先级高的设备做Master。

从上述分析可以看到,主机不需要增加额外工作,与外界的通信也不会因某台路由器故障而受到影响。

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VRRP协议介绍

  • VRRP的报文结构
  • VRRP的状态机

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VRRP的报文结构

VRRP协议只有一种报文,即VRRP报文。VRRP报文用来将Master设备的优先级和状态通告给同一虚拟路由器的所有VRRP路由器。

VRRP报文封装在IP报文中,发送到分配给VRRP的IPv4组播地址。在IP报文头中,源地址为发送报文的主接口地址(不是虚拟地址或辅助地址),目的地址是224.0.0.18,TTL是255,协议号是112。VRRP报文的结构如图1所示。

图1 VRRP报文结构
VRRP3930

各字段的含义:

  • Version:协议版本号,现在的VRRP为版本2。
  • Type:报文类型,只有一种取值,1,表示Advertisement。
  • Virtual Rtr ID(VRID):虚拟路由器ID,取值范围是1~255。
  • Priority:发送报文的VRRP路由器在虚拟路由器中的优先级。取值范围是0~255,其中可用的范围是1~254。0表示设备停止参与VRRP,用来使备份路由器尽快成为主路由器,而不必等到计时器超时;255则保留给IP地址拥有者。缺省值是100。
  • Count IP Addrs:VRRP广播中包含的虚拟IP地址个数。
  • Authentication Type:验证类型,协议中指定了3种类型:
    • 0:Non Authentication
    • 1:Simple Text Password
    • 2:Reserved

    各字段的含义:

    • RFC2338中Authentication Type取值如下:
    • 0 – No Authentication
    • 1 – Simple Text Password
    • 2 – IP Authentication Header
    • 随后的RFC3768中将Authentication Type取值变更如下:
      • 0 – No Authentication
      • 1 – Reserved
      • 2 – Reserved

      说明:

      变更的原因:实践和分析证明,这些认证方式不能提供真正的安全。而限制TTL=255可以阻止大多数对本地脆弱性的攻击。

    • 实现了Simple Text Password认证方式
    • Advertisement Interval:发送通告报文的时间间隔,缺省为1秒。
    • Checksum:校验和。
    • IP Address(es):虚拟路由器IP地址,地址个数是Count IP Addrs的值。
    • Authentication Data:验证字,目前只有明文认证才用到该部分,对于其它认证方式,一律填0。

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    VRRP的状态机

    VRRP协议中定义了三种状态机:初始状态(Initialize)、活动状态(Master)、备份状态(Backup)。其中,只有处于活动状态的设备才可以转发那些发送到虚拟IP地址的报文。

    VRRP状态转换如图1所示。

    VRRP5282

    Initialize

    设备启动时进入此状态,当收到接口Startup的消息,将转入Backup或Master状态(IP地址拥有者的接口优先级为255,直接转为Master)。在此状态时,不会对VRRP报文做任何处理。

    Master

    当路由器处于Master状态时,它将会做下列工作:

    • 定期发送VRRP报文。
    • 以虚拟MAC地址响应对虚拟IP地址的ARP请求。
    • 转发目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文。
    • 如果它是这个虚拟IP地址的拥有者,则接收目的IP地址为这个虚拟IP地址的IP报文。否则,丢弃这个IP报文。
    • 如果收到比自己优先级大的报文则转为Backup状态。
    • 如果收到优先级和自己相同的报文,并且发送端的主IP地址比自己的主IP地址大,则转为Backup状态。
    • 当接收到接口的Shutdown事件时,转为Initialize。
    Backup

    当路由器处于Backup状态时,它将会做下列工作:

    • 接收Master发送的VRRP报文,判断Master的状态是否正常。
    • 对虚拟IP地址的ARP请求,不做响应。
    • 丢弃目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文。
    • 丢弃目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文。
    • Backup状态下如果收到比自己优先级小的报文时,丢弃报文,不重置定时器;如果收到优先级和自己相同的报文,则重置定时器,不进一步比较IP地址。
    • 当Backup接收到MASTER_DOWN_TIMER定时器超时的事件时,才会转为Master。
    • 当接收到接口的Shutdown事件时,转为Initialize。

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    提供的VRRP功能,包括主备备份、负载分担备份、VRRP监视接口状态、VRRP快速切换等。

    • 主备备份
    • 负载分担
    • 监视接口状态
    • VRRP快速切换
    • 虚拟IP地址Ping开关
    • VRRP的安全功能
    • VRRP平滑倒换
    • VRRP管理组
    • mVRRP

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    主备备份

    这是VRRP提供IP地址备份功能的基本方式。主备备份方式需要建立一个虚拟路由器,该虚拟路由器包括一个Master和若干Backup设备。

    • 正常情况下,业务全部由Master承担。
    • Master出现故障时,Backup设备接替工作。

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    负载分担

    现在允许一台路由器为多个作备份。通过多虚拟路由器设置可以实现负载分担。

    负载分担方式是指多台路由器同时承担业务,因此需要建立两个或更多的备份组。

    负载分担方式具有以下特点。

    • 每个备份组都包括一个Master设备和若干Backup设备。
    • 各备份组的Master可以不同。
    • 同一台路由器可以加入多个备份组,在不同备份组中有不同的优先级。

    VRRP999

    如图1所示:

    • 配置两个备份组:组1和组2;
    • RouterA在备份组1中作为Master,在备份组2中作为Backup;
    • RouterB在备份组1和2中都作为Backup;
    • RouterC在备份组2中作为Master,在备份组1中作为Backup。
    • 一部分主机使用备份组1作网关,另一部分主机使用备份组2作为网关。

    这样,以达到分担数据流,而又相互备份的目的。

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    监视接口状态

    VRRP可以监视所有接口的状态。当被监视的接口Down或Up时,该路由器的优先级会自动降低或升高一定的数值,使得备份组中各设备优先级高低顺序发生变化,VRRP路由器重新进行Master竞选。

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    VRRP快速切换

    双向转发检测BFD(Bidirectional Forwarding Detection)机制,能够快速检测、监控网络中链路或者IP路由的连通状况,VRRP通过监视BFD会话状态实现主备快速切换,主备切换的时间控制在1秒以内。

    对于以下情况,BFD都能够将检测到的故障通知接口板,从而加快VRRP主备倒换的速度。

    • 备份组包含的接口出现故障。
    • Master和Backup不直接相连。
    • Master和Backup直接相连,但在中间链路上存在传输设备。

    BFD对Backup和Master之间的实际地址通信情况进行检测,如果通信不正常,Backup就认为Master已经不可用,升级成Master。在以下两种情况下Backup转换为Master:

    • 当两台路由器之间的背靠背连接全部断开时,Backup主动升级成Master,承载上行流量;
    • 当Master重新启动、或Master与交换机之间的链路断开、或与Master相连的交换机重新启动时,Backup主动升级成Master,承载上行流量。

    VRRP快速切换的环境要求:

    • 在Backup上,BFD Session检测的接口必须和Master设备相连;
    • 在Master不可用时,Backup的优先级增加并大于原来Master的优先级,促使自己快速切换为Master。

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    虚拟IP地址Ping开关

    RFC3768并没有规定虚拟IP地址应不应该Ping通。不能Ping通虚拟IP地址,会给监控虚拟路由器的工作情况带来一定的麻烦,能够 Ping通虚拟IP地址可以比较方便的监控虚拟路由器的工作情况,但是带来可能遭到ICMP攻击的隐患。控制Ping通虚拟IP地址的开关命令,用户可以 选择是否打开。

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    VRRP的安全功能

    对于安全程度不同的网络环境,可以在报头上设定不同的认证方式和认证字。

    在一个安全的网络中,可以采用缺省设置:路由器对要发送的VRRP报文不进行任何认证处理,收到VRRP报文的路由器也不进行任何认证,认为收到的都是真实的、合法的VRRP报文。这种情况下,不需要设置认证字。

    在有可能受到安全威胁的网络中,VRRP提供简单字符认证,可以设置长度为1~8的认证字。

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    VRRP平滑倒换

    概述

    CE设备作为业务系统的网关,需要启用VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)冗余备份功能。

    在路由器主板和备板状态都正常的情况下,VRRP备份组中的Master设备会以Advertisement_Interval间隔定时发送VRRP广播报文,Backup通过不断检测接收到的广播报文来判断Master状态是否正常。

    当Master设备发生主备倒换后,从发生主备倒换到新主板正常工作,需要一段时间,该时间随不同设备和不同配置差别较大,结果可能导致 Master设备不能正常处理VRRP协议报文,Backup设备因为收不到广播报文而抢占到Master状态,并针对每一个虚拟路由器的虚IP地址发送 免费ARP,给相关绑定模块发送状态变化通知。

    由于倒换过程中系统过于繁忙,Master端的Hello协议报文无法正常发送,而Backup端无法及时收到报文,会抢占成为Master,引起 链路切换,导致丢包。因此需要启用了VRRP功能的CE设备支持VRRP的平滑倒换(SS,Smoth Switch)功能,避免因主备倒换影响业务流量。

    基本原理

    VRRP9837

    在VRRP平滑倒换的过程中,Master和Backup分工不同,相互配合,共同保证业务的平滑传输。

    • 要进行VRRP整机平滑倒换处理,必须分别在Master和Backup上使能VRRP协议报文时间间隔学习功能。如图所示,设备1和设备2都使能VRRP协议报文时间间隔学习功能。
      • 如果使能了VRRP协议报文时间间隔学习功能,Master状态的VRRP不学习也不检查协议报文时间间隔的一致性。
      • 非Master状态的VRRP收到Master状态VRRP发来的协议报文后,会检查报文中的时间间隔值,如果和自己的不同,非Master状态的VRRP就会学习到报文中的时间间隔,并调整自己的协议报文时间间隔值,与报文中的值保持一致。
    • 设备1配置整机VRRP平滑倒换功能。设备主备倒换新的主板启动后,VRRP根据设备主备倒换前的状态判断,保存当前配置的VRPP协议报文时间间隔,并对Master状态的VRRP进行协议报文时间间隔调整,然后以当前配置的时间间隔发出VRRP平滑倒换报文,报文中携带着新的时间间隔发送到对端设备2。
    • 设备2收到的VRRP协议报文中携带的时间间隔和自己本地的间隔不一致,将对自己的运行时间间隔调整,并调整自己的定时器,与其保持一致。
    • 设备1平滑结束时将发出VRRP恢复报文,报文中携带着主备倒换前配置的时间间隔,此时设备2上的VRRP会再进行一次时间间隔学习。
    注意事项

    学习功能优先于抢占功能,即如果收到的协议报文时间间隔和自己当前的不一致,并且报文中携带的优先级低于自己当前的配置优先级,这种情况VRRP首先考虑的是学习功能和重置定时器,而后才会考虑是否抢占。

    VRRP整机平滑倒换功能还依赖于系统本身,如果设备自身从主备倒换一开始系统便非常繁忙,无法调度VRRP模块运行的情况,VRRP整机平滑倒换功能无效。

    VRRP加入了VGMP之后,VRRP的运行将依赖于VGMP,此时的VRRP将不受平滑倒换的影响。该功能不能用于业务VRRP。

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    VRRP管理组

    在配置大量VRRP备份组时:

    • 过多VRRP协议报文占用较大的链路带宽
    • 大量VRRP报文的处理对系统造成一定的负担
    • 每个VRRP备份组都要维护协议定时器,对系统来说也是个很大的开销

    此外,每个VRRP备份组状态相对独立,无法保证同一路由器上相关联的接口上VRRP状态都为主用,在严格要求来回路径一致的应用中存在局限性:

    • 基于NAT网关的可靠性组网
    • 基于Proxy服务器的可靠性组网
    • 基于状态防火墙的可靠性组网

    为防止VRRP状态不一致现象的发生,华为公司在VRRP的基础上自主开发了扩展协议VGMP(VRRP Group Management Protocol),即VRRP组管理协议。基于VGMP协议建立的VRRP管理组负责统一管理加入其中的各VRRP备份组的状态,保证一台路由器上的接 口同时处于主用或备用状态,实现路由器VRRP状态的一致性。

    VRRP管理组有Master设备和Slave设备之分。

    • Master设备:VRRP管理组状态为Master的设备,该路由器上被管理的VRRP备份组状态都是Master(因接口Down而变成Initialize的除外),承担流量传输的任务,并定时发送Hello报文。
    • Slave设备:VRRP管理组状态为Slave的设备,该路由器上被管理的VRRP备份组状态都是非Master,不传输流量,处于监听状态,一旦Master设备出现故障,Slave将竞选成为Master。

    VRRP管理组相当于在VRRP备份组的基础上叠加了一层逻辑层。VRRP备份组加入VGMP之后,不再发送传统VRRP报文,由VRRP管理组负责统一管理加入其中的各VRRP备份组的状态。

    VRRP备份组感知到接口状态变化后,会改变自身的状态。VGMP将感知到这种状态迁移,然后来确定是否切换VGMP的状态,从而切换VGMP组内VRRP备份组的状态。

    VRRP管理组提供的功能
    • 状态一致性管理VRRP管理组对所属VRRP组的主备切换进行裁决,改变了传统VRRP中各设备VRRP状态相对独立的现象,从而确保了同一路由器上VRRP备份组的状态一致性。
    • 抢占管理对于加入VRRP管理组的VRRP备份组来说,无论各备份组内路由器是否启动了抢占功能,抢占行为发生与否必须由VRRP管理组统一决定。
    • 通道管理配置专门的数据通道传输VGMP报文,提高VGMP报文传输的可靠性。

      一个VRRP管理组中至少要有一条数据通道。数据通道可以和业务通道在同一条物理链路上。

    图1描述了业务通道和数据通道的关系。A1-S-B1、A2-S-B2、A3-S-B3可以是数据通道也可以是业务通道,A4-H-B4只能作为数据通道。

    VRRP12173

    VRRP管理组工作方式

    VRRP管理组的工作方式有主备备份和负载分担。

    • 主备备份方式
      • 仅有一个VRRP管理组
      • 正常情况下,VRRP管理组优先级高的路由器作为Master,承担传输业务传输,VRRP管理组优先级低的路由器作为Slave;
      • 当Master设备出现故障时,主备状态发生切换。

      VRRP12572

    • 负载分担方式
      • 至少有两个VRRP管理组
      • 路由器上的VRRP备份组加入不同的管理组
      • 正常情况下,同一路由器上有状态为Master的VRRP管理组,也有状态为Slave的VRRP管理组,网络内的传输流量在多个路由器之间进行负载分担;
      • 当Master设备出现故障时,主备状态进行切换。

      VRRP12972

    • 如图3所示。
      • RouterA上的VRRP管理组1包含备份组1、2、3,优先级为Level1;VRRP管理组2包含备份组4、5、6,优先级为Level2;Level1>Level2
      • RouterB上的VRRP管理组1包括备份组1、2、3,优先级为Level3;VRRP管理组2包含备份组4、5、6,优先级为Level4;Level3
      • Level1=Level4,Level2=Level3
      • RouterA是VRRP管理组1协商出的Master,也是管理组2协商出的Slave
      • RouterB是VRRP管理组1协商出的Slave,也是管理组2协商出的Master
      • Network1内部分主机的默认网关是备份组1,部分主机的默认网关是备份组4;Network2、Network3内主机默认网关的设置原理同Network1
      • 正常情况下,RouterA和RouterB两台路由器对对业务流量进行分担

      如果RouterB出现故障,则VRRP管理组2将重新裁决各设备的状态,管理组2中的RouterA状态切换为Master,RouterB状态 切换为Slave,此时RouterA承担全部会话业务。当RouterB恢复正常后,RouterB将继续作为VRRP管理组2的Master,流量将 在两个路由器之间分担。

    mVRRP

    mVRRP是指管理VRRP。管理VRRP备份组从本质上讲就是普通的VRRP备份组,唯一特殊之处在于:普通的VRRP备份组被配置为管理VRRP备份组之后,可以绑定其他的业务备份组,并根据绑定关系,决定相关业务备份组的状态。

    一个管理VRRP备份组可以绑定多个业务备份组,但它不能作为业务备份组与其他管理备份组进行绑定。

    管理VRRP备份组也可以作为一般成员加入VGMP组中。在将管理VRRP备份组加入VGMP组后,也可以配置管理VRRP监视Peer BFD和Link BFD会话状态但管理VRRP备份组状态机会丧失自己的独立性除了Initialize状态之外,Backup和Master状态需要根据所加入的VGMP组的状态来决定。



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