虚拟路由器冗余协议VRRP详解

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来源:http://www.it165.net/network/html/201303/1026.html

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。



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