|
一、 1 概述
1.1 產生背景
隨著Internet的發展，人們對網絡可靠性的要求越來越高。特別是對于終端用戶
來說，能夠實時與網絡其他部分保持聯系是非常重要的。一般來說，主機通過設
置默認網關來與外部網絡聯系，如圖1所示：
圖1 常用局域網組網方案
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，不過由于大多數主機只允許配置一個默認網關，此時需要網
絡管理員進行手工干預網絡配置，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，這些協議由于配置過于復雜，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，只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，并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。
1.2 技術優點
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，由另一臺路由
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：
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能在某臺設備出現故障時仍然提供高可靠的缺省鏈路，有效避免單
一鏈路發生故障后網絡中斷的問題，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。
適應性強。VRRP報文封裝在IP報文中，支持各種上層協議。
網絡開銷小。VRRP只定義了一種報文——VRRP通告報文，并且
只有處于Master狀態的路由器可以發送VRRP報文。
二、 2 VRRP協議介紹
2.1 相關術語
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。
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。
Master路由器：虛擬路由器中承擔報文轉發任務的路由器。
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。
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。
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。
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，只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。
優先級：VRRP根據優先級來確定虛擬路由器中每臺路由器的地位。
非搶占方式：如果Backup路由器工作在非搶占方式下，則只要
Master路由器沒有出現故障，Backup路由器即使隨后被配置了更高的優先級也不
會成為Master路由器。
搶占方式：如果Backup路由器工作在搶占方式下，當它收到
VRRP報文后，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。
2.2 虛擬路由器簡介
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
當于一臺虛擬路由器，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
一臺設備將成為新的Master路由器，接替轉發報文的工作，如圖2所示。
圖2 虛擬路由器示意圖
2.3 VRRP工作過程
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路由器由一臺設備切換為另外一臺設
備，新的Master路由器只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臺設備。
(5) Backup路由器的優先級高于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：
Master路由器的選舉；
Master路由器狀態的通告；
同時，為了提高安全性，VRRP還提供了認證功能；
下面將從上述三個方面詳細介紹VRRP的工作過程。
2.3.1 Master路由器的選舉
VRRP根據優先級來確定虛擬路由器中每臺路由器的角色（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：
如果VRRP報文中Master路由器的優先級高于自己的優先級，則
路由器保持在Backup狀態；
如果VRRP報文中Master路由器的優先級低于自己的優先級，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；
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優先級的取值范圍為0到255（數值越大表明優先級越高），可配置的范圍是1
到254，優先級0為系統保留給路由器放棄Master位置時候使用，255則是系統保留
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，只要其工作正常，則為Master路由器。
2.3.2 Master路由器狀態的通告
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路由器并不能
立即知道其工作狀況。Backup路由器等待一段時間之后，如果還沒有接收到VRRP
報文，那么會認為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，特制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后，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。
2.3.3 認證方式
VRRP提供了三種認證方式：
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。
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。
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
密后的報文保存在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。
三、 3 Comware實現的技術特色
3.1 監視上行鏈路
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
行鏈路出現故障后，主動降低自己的優先級（使Master路由器的優先級低于
Backup路由器），并立即發送VRRP報文。Backup路由器接收到優先級比自己低的
VRRP報文后，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。由于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
設備壞掉之后，快速檢測到該變化，并降低Master路由器的優先級，致使Backup
路由器等待Skew time后，搶占成為新的Master路由器。
3.2 Backup監視Master工作狀態
Backup路由器在Master路由器壞掉之后，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路由器壞掉之后
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。
四、 4 典型組網案例
4.1 主備備份
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。
圖3 主備備份VRRP
初始情況下，Device A是Master路由器并承擔轉發任務，Device B和Device C是
Backup路由器且都處于就緒監聽狀態。如果Device A發生故障，則虛擬路由器內
處于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。
4.2 負載分擔
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臺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路由器和若干個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。
圖4 負載分擔VRRP
在圖4中，有三個虛擬路由器存在：
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。
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。
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，使得一臺路由
器盡可能不同時充當2個Master路由器。
4.3 Master使用BFD/NQA監視上行鏈路
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，處于就緒監聽狀態。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
高于報文中的優先級，那么它將在Skew Time時間之后切換為新的Master路由器，
之后由這個新的Master路由器為網絡內的主機轉發數據。
4.4 Backup使用BFD監視Master狀態
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，處于就緒監聽狀態。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，之后這個新Master路由器將為網絡內
的主機轉發數據。
五、 5 附錄
5.1 參考文獻
RFC 3768：Virtual Router Redundancy Protocol (VRRP)
|
