全面概述VRRP

　　虚拟路由冗余协议(VirtualRouterRedundancyProtocol，简称VRRP)是由IETF提出的解决局域网中配置静态网关出现单点失效现象的路由协议，1998年已推出正式的RFC2338协议标准。VRRP广泛应用在边缘网络中，它的设计目标是支持特定情况下IP数据流量失败转移不会引起混乱，允许主机使用单路由器，以及及时在实际第一跳路由器使用失败的情形下仍能够维护路由器间的连通性。

　　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。

　　

　　IETF（InternetEngineeringTaskForce，因特网工程任务组）推出了VRRP（VirtualRouterRedundancyProtocol）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。

　　名词解释

　　虚拟路由器冗余协议

　　（VRRP：VirtualRouterRedundancyProtocol）

　　虚拟路由器冗余协议（VRRP）是一种选择协议，它可以把一个虚拟路由器的责任动态分配到局域网上的VRRP路由器中的一台。控制虚拟路由器IP地址的VRRP路由器称为主路由器，它负责转发数据包到这些虚拟IP地址。一旦主路由器不可用，这种选择过程就提供了动态的故障转移机制，这就允许虚拟路由器的IP地址可以作为终端主机的默认第一跳路由器。使用VRRP的好处是有更高的默认路径的可用性而无需在每个终端主机上配置动态路由或路由发现协议。VRRP包封装在IP包中发送。

　　使用VRRP，可以通过手动或DHCP设定一个虚拟IP地址作为默认路由器。虚拟IP地址在路由器间共享，其中一个指定为主路由器而其它的则为备份路由器。如果主路由器不可用，这个虚拟IP地址就会映射到一个备份路由器的IP地址（这个备份路由器就成为了主路由器）。VRRP也可用于负载均衡。VRRP是IPv4和IPv6的一部分。

　　VRRP协议对应的是RFC3768，该协议仅适用于IPv4。

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　　VRRP的基本概念

　　以下是与VRRP协议相关的基本概念：

　　

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　　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。

　

　　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1VRRP报文结构　

　　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。

　　VirtualRtrID（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。

　　CountIPAddrs：VRRP广播中包含的虚拟IP地址个数。

　　AuthenticationType：验证类型，协议中指定了3种类型：

　　0：NonAuthentication

　　1：SimpleTextPassword

　　2：Reserved

　　各字段的含义：

　　RFC2338中AuthenticationType取值如下：

　　0-NoAuthentication

　　1-SimpleTextPassword

　　2-IPAuthenticationHeader

　　随后的RFC3768中将AuthenticationType取值变更如下：

　　0-NoAuthentication

　　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SimpleTextPassword认证方式

　　AdvertisementInterval：发送通告报文的时间间隔，缺省为1秒。

　　Checksum：校验和。

　　IPAddress(es)：虚拟路由器IP地址，地址个数是CountIPAddrs的值。

　　AuthenticationData：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。

　　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。

　　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（BidirectionalForwardingDetection）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，BFDSession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（VirtualRouterRedundancyProtocol）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，SmothSwitch）功能，避免因主备倒换影响业务流量。

　　基本原理

　　在VRPR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（VRRPGroupManagementProtocol），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。

　　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。

　　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。

　　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PeerBFD和LinkBFD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。

      VRRP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中，借助VRRP能在某台路由器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。

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