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VRRP高可用

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VRRP高可用
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VRRP简介

1.1 定义

虚拟路由冗余协议VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备,将虚拟路由设备的IP地址作为用户的默认网关实现与外部网络通信。当网关设备发生故障时,VRRP机制能够选举新的网关设备承担数据流量,从而保障网络的可靠通信。

1.2 目的

随着网络的快速普及和相关应用的日益深入,各种增值业务(如IPTV、视频会议等)已经开始广泛部署,基础网络的可靠性日益成为用户关注的焦点,能够保证网络传输不中断对于终端用户非常重要。
通常,同一网段内的所有主机上都设置一条相同的、以网关为下一跳的缺省路由。主机发往其他网段的报文将通过缺省路由发往网关,再由网关进行转发,从而实现主机与外部网络的通信。当网关发生故障时,本网段内所有以网关为缺省路由的主机将无法与外部网络通信。增加出口网关是提高系统可靠性的常见方法,此时如何在多个出口之间进行选路就成为需要解决的问题。
VRRP的出现很好的解决了这个问题。VRRP能够在不改变组网的情况下,将多台路由设备组成一个虚拟路由器,通过配置虚拟路由器的IP地址为默认网关,实现默认网关的备份。

1.3 优点

1)冗余备份
VRRP可以将多台路由设备配置为缺省网关路由器,当出现单点故障的时候通过备份链路进行业务传输,从而降低网络故障的可能性,保证用户的各种业务不中断传输。
2)负载分担
VRRP可以实现多台设备同时承担业务流量,从而减轻主用设备上数据流量的承载压力,在路由设备之间更均衡地分担流量。

3)联动功能

  • VRRP联动可以监视上行链路的故障。当上行接口或链路故障时,VRRP备份组的Master设备降低优先级,重新进行选举,确保Master路由器为最佳的VRRP路由设备,保证流量的正常转发。
  • VRRP与BFD联动可以提高VRRP备份组中主备设备的切换速度。利用BFD检测速度快的特点,在Master设备和Backup设备之间建立BFD会话并与VRRP备份组进行绑定,实现Master设备和Backup设备之间的链路出现故障时,Backup设备迅速切换为Master,承担网络流量。


VRRP基本概念

如下图图1所示,HostA通过Switch1双归到SwitchA和SwitchB。在SwitchA和SwitchB上配置VRRP备份组,对外体现为一台虚拟路由器,实现冗余备份。VRRP协议报文封装在IP报文中,拥有专门的VRRP组播地址。在IP报文头中,源地址为发送报文接口的主IP地址(不是虚拟IP地址),目的地址是224.0.0.18,TTL是255,协议号是112。
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。

目前,VRRP协议包括两个版本:VRRPv2和VRRPv3

  • VRRPv2仅适用于IPv4网络;
  • VRRPv3适用于IPv4和IPv6两种网络。

基于不同的网络类型,VRRP可以分为VRRP for IPv4和VRRP for IPv6(简称VRRP6)。

图1 VRRP备份组示意图

在如图1所示的网络中部署VRRP协议,下面结合该图介绍VRRP协议的基本概念

  • VRRP路由器(VRRP Router)
    运行VRRP协议的设备。
  • 虚拟路由器(Virtual Router)
    又称VRRP备份组,由一个Master设备和多个Backup设备组成,被当作一个共享局域网内主机的缺省网关。如SwitchA和SwitchB共同组成了一个虚拟路由器。
  • Master路由器(Virtual Router Master)
    承担转发报文任务的VRRP设备,如SwitchA。
  • Backup路由器(Virtual Router Backup)
    一组没有承担转发任务的VRRP设备,当Master设备出现故障时,它们将通过竞选成为新的Master设备,如SwitchB。
  • VRID
    虚拟路由器的标识。如SwitchA和SwitchB组成的虚拟路由器的VRID为1。
  • 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。如SwitchA和SwitchB组成的虚拟路由器的虚拟IP地址为10.1.1.10/24。
  • IP地址拥有者(IP Address Owner)
    如果一个VRRP设备将虚拟路由器IP地址作为真实的接口地址,则该设备被称为IP地址拥有者。如果IP地址拥有者是可用的,通常它将成为Master。如SwitchA,其接口的IP地址与虚拟路由器的IP地址相同,均为10.1.1.10/24,因此它是这个VRRP备份组的IP地址拥有者。
  • 虚拟MAC地址(Virtual MAC Address)
    虚拟路由器根据VRID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}(VRRP for IPv4)或00-00-5E-00-02-{VRID}(VRRP for IPv6)。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。如SwitchA和SwitchB组成的虚拟路由器的VRID为1,因此这个VRRP备份组的MAC地址为00-00-5E-00-01-01。

VRRP工作原理

3.1 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状态的转换如图2所示。

图2 VRRP状态的转换

  • Initialize
    该状态为VRRP不可用状态,在此状态时设备不会对VRRP报文做任何处理。
    通常刚配置VRRP时或设备检测到故障时会进入Initialize状态。
  • Master
    当VRRP设备处于Master状态时处理发送VRRP通告报文,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,当接收到接口的Shutdown事件时,转为Initialize状态。
  • Backup
    当VRRP设备处于Backup状态时接收Master发送的VRRP通告报文,判断Master的状态是否正常。
    对虚拟IP地址的ARP请求,不做响应,目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文时按照正常二层转发流程进行处理。当接收到MASTER_DOWN_TIMER定时器超时的消息时,Backup状态才会转为Master状态。当接收到接口的Shutdown消息时,转为Initialize状态。

3.2 VRRP工作过程

VRRP的工作过程如下:

  • VRRP备份组中的设备根据优先级选举出Master。Master设备通过发送免费ARP报文,将虚拟MAC地址通知给与它连接的设备或者主机,从而承担报文转发任务。
  • Master设备周期性向备份组内所有Backup设备发送VRRP通告报文,以公布其配置信息(优先级等)和工作状况。
  • 如果Master设备出现故障,VRRP备份组中的Backup设备将根据优先级重新选举新的Master。
  • VRRP备份组状态切换时,Master设备由一台设备切换为另外一台设备,新的Master设备会立即发送携带虚拟路由器的虚拟MAC地址和虚拟IP地址信息的免费ARP报文,刷新与它连接的主机或设备中的MAC表项,从而把用户流量引到新的Master设备上来,整个过程对用户完全透明。
  • 原Master设备故障恢复时,若该设备为IP地址拥有者(优先级为255),将直接切换至Master状态。若该设备优先级小于255,将首先切换至Backup状态,且其优先级恢复为故障前配置的优先级。


VRRP心跳线

如下图图3所示,在VRRP+STP场景中,SwitchA和SwitchB上配置VRRP备份组。若与用户相连的Switch1不能转发VRRP协议报文(如配置了未知组播丢弃),或者为了防止VRRP协议报文(心跳报文)所经过的链路不通或不稳定,可以在SwitchA和SwitchB之间部署一条心跳线,用于传递VRRP协议报文。
由于配置了心跳线之后,需要将Interface1和Interface2加入与VRRP备份组相对应的VLAN(例如,VRRP备份组配置在VLANIF100接口下,则需要配置Interface1和Interface2加入VLAN100),SwitchA、SwitchB和Switch1之间会存在环路,因此还需要配置破环协议来破除环路(例如,可以配置STP协议来破除环路)。

图3 VRRP心跳线示意图


配置VRRP主备备份示例

5.1 组网需求

如下图图4所示,HostA通过Switch双归属到SwitchA和SwitchB。为保证用户的各种业务在网络传输中不中断,需在SwitchA和SwitchB上配置VRRP主备备份功能。
正常情况下,主机以SwitchA为默认网关接入Internet,当SwitchA故障时,SwitchB接替SwitchA作为网关继续进行工作,实现网关的冗余备份。

SwitchA故障恢复后,其延时20秒通过抢占的方式重新成为Master,承担数据传输。

图4 配置VRRP主备备份组网图
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使网络互通:
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.
测试结果:
从PC段ping192.168.237.131。
Master节点:
Backup节点:
断掉交换机到master的接口:
Master状态:master切换到备。
测试丢包率:因为测试的是外部服务器,加上设备性能问题,显示丢包有点多。
在生产环境丢包最多不超过2个,或者误丢包,全程用户是无感知的。
切回到正常状态:


本文作者:彭 杰(上海新炬中北团队)

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