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【网工实用技术教程】VRRP概述

发布作者：新盟教育发布日期：2023-01-31 浏览人数：2081人

网工实用技术教程

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可靠性是衡量一个网络的健壮程度的重要指标，一个可靠性差的网络，应对网络故障的能力相对较弱，当发生诸如网络设备故障或链路故障时，网络上所承载的业务受到的冲击往往比较大，严重时更会造成业务中断。

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议）就是一个应对网络冗余稳定的解决方案。VRRP使得多台同属一个广播域的网络设备能够协同工作，实现设备冗余，从而提高网络的可靠性。VRRP在实际网络中已被广泛部署，它目前有两个版本：VRRPv2和VRRPv3，其中VRRPv2仅适用于IPV4网络，而VRRPv3适用于IPV4和IPV6两种网络。

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如图所示，在R1及R2的G0/0/0接口上部署VRRP，使得两者能够协同工作，可以实现网关冗余。当VRRP开始工作时，它将产生一台虚拟路由器（Virtual Router），这台虚拟路由器的ip地址为：192.168.1.254/24（该地址由网络管理员指定），PC将自己的默认网关设置为该虚拟路由器的IP地址如此一来，当PC向外部网络发送数据时，数据将被发送给虚拟路由器。

值得注意的是，虚拟路由器是一台逻辑设备，它只是VRRP虚拟出来的一台路由器，当VRRP开始工作后，R1和R2会进行“选举”，胜出的路由器成为master（主）路由器，其他的路由器则成为Backup（备份）路由器。Master路由器承担虚拟路由器的具体工作，如此一来，当PC需要发送数据包到外部网络时，数据包实际被发送给Master路由器R1，当R1发生故障时，通过VRRP协议的运作，R2能够感知到当前的Master路由器发生了故障，从而将自己的状态自动切换到Master，接下来它将接替原来属于R1的工作，在整个VRRP的切换过程中，用户是完全无感知的，PC的配置也不需要做任何变更。

基本概念

1.VRRP路由器

我们将运行VRRP的路由器称为VRRP路由器。实际上，VRRP是配置在路由器的接口上的，而且也是基于接口工作的。如图所示，R1及R2均在各自的GE0/0/0上配置了VRRP，VRRP一旦被激活，路由器的接口便开始发送和侦听VRRP协议报文。需要协同工作的VRRP路由器（的接口）必须属于同一个广播域，否则VRRP报文无法正常交互。在下图中，路由器的接口连接在同一个二层交换机上，而且交换机连接这两台路由器的接口属于相同的VLAN。因此R1及R2这两个接口属于相同的广播域。

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2.VRRP组及VRID

一个VRRP组（VRRP Group）由多台协同工作的路由器（的接口）组成，使用相同的VRID(Virtual Route Identifier，虚拟路由器标识符)进行标识。属于同一个VRRP组的路由器之间交互VRRP协议报文并产生一台虚拟路由器。一个VRRP组中只能出现一台Master路由器。

如上图，R1的G0/0/0接口及R2的G0/0/0接口协同工作，为pc实现冗余网关，因此这两个接口需加入同一个VRRP组，如果R1使用的VRID为1，那么R2在进行VRRP的相关配置时也必须使用相同的VRID。

一个接口可以加入单个VRRP组，也可以加入多个VRRP组。当然，不同的VRRP组需使用不同的VRID进行区分。

3.虚拟路由器、虚拟IP地址及虚拟MAC地址

VRRP为每一组抽象出一台虚拟路由器（Virtual Router），该路由器并非真实存在的物理设备，而是由VRRP虚拟出来的逻辑设备。它拥有自己的IP地址及MAC地址，其中虚拟路由器的ip地址（虚拟ip地址）由网络管理员在配置VRRP时指定，一台虚拟路由器可以有一个或多个IP地址。而虚拟MAC地址的格式时“0000-5e00-0100”，其中xx为VRID，例如当VRID为1时，则虚拟MAC地址为“0000-5e00-0101”。一个VRRP组只会产生一台虚拟路由器。

当Master路由器收到请求虚拟路由器MAC地址的ARP Request时，它在ARP Reply中回应的MAC地址时虚拟MAC地址，而不是其物理接口的MAC地址。

通常情况下，VRRP路由器的接口IP地址不会与虚拟路由器的IP地址重叠，也就是说我们会为虚拟路由器单独规划一个IP地址，而不会使用某台路由器的接口IP地址。当然也存在一个特殊情况，例如在某些网络中ip地址比较紧缺，那么也有可能会将某台路由器的接口ip地址用于虚拟路由器，此时该路由器将无条件成为Master。

4.Master路由器、Backup路由器

Master路由器是接口处于Master状态的路由器，也被称为主路由器。Master路由器在一个VRRP组中承担报文转发任务。在每一个VRRP组中，只有Master路由器才会响应针对虚拟IP地址的arp Request。Master路由器会以一定的时间间隔周期性的发送VRRP报文，以便通知同一个VRRP组中的Backup路由器关于自己的存活情况。

Backup路由器是接口处于Backup状态的路由器，也被称为备份路由器。Backup路由器将会实时侦听Master路由器发送出来的VRRP报文，它随时准备接替Master路由器的工作。

VRRP首先通过优先级（Priority）来从一个组中“选举”出Master路由器。VRRP优先级的值越大则路由器越有可能成为Master路由器。在优先级相等情况下，接口ip地址越大的路由器越有可能成为Master路由器。

5.抢占模式（Preempt Mode）

如果Backup路由器激活了抢占功能，那么当它发现Master路由器的优先级比自己更低时，它将立即切换至Master状态，成为新的Master路由器，而如果Backup路由器没有激活抢占功能，那摩即使它发现Master路由器优先级比自己更低，也只能依然保持Backup状态，直到Master路由器失效。

状态机

vrrp定义了三种状态，RFC3768(Virtual Router Redundancy Protocol)详细的描述了这些状态。

1.Intialize（初始状态）

Initialize状态是VRRP的初始状态。在接口配置VRRP后，如果该接口是Down的（例如接口被关闭，或者没有连接任何线缆），那么该接口的VRRP状态将会停滞在Initialize。

当接口Up之后，如果其VRRP优先级为255（这种情况发生在该接口的实际ip地址是vrrp虚拟ip地址的情况），那么接口的vrrp状态将由Initialize切换到Master，而如果接口的vrrp优先级不为255，则进入Backup状态。

2.Backup（备份状态）

处于备份状态的路由器是VRRP组中的备份路由器，作为一台备份设备，它并不会参与数据转发工作，但是它会实时监控当前Master路由器的状态，并随时准备接替它的工作。Backup路由器会进行如下工作。

对关于VRRP虚拟ip地址的ARP请求不予回应。
丢弃目的MAC地址为VRRP虚拟MAC地址的数据帧。
不接收目的ip地址为vrrp虚拟ip地址的数据包。
当其收到一个VRRP报文时。

① 若该报文的优先级为0（这可能意味着当前的Master路由器希望主动放弃Master状态），则将Master_Down_Timer设置为Skew_Time。

② 若该VRRP报文的优先级不为0，则当抢占模式（Preempt Mode）未激活时，或者当VRRP报文中的优先级大于或等于本地接口优先级时，将Master_Adver_Interval设置为VRRP报文中的Advertisement Interval，并重置Master_Down_Timer，将Master_Down_Timer的时间设置为Master_Down_Interval。

若该VRRP报文的优先级不为0，则当抢占模式激活并且VRRP报文中的优先级小于本接口优先级时，忽略该vrrp报文，立即切换到Master状态。

Master_Adver_Interval：Master路由器所发送的VRRP报文中，Advertisement Interval字段所填充的值，缺省时该值为1s。该时间间隔即Master路由器周期性发送VRRP报文的间隔。
Master_Down_Timer：Backup路由器将持续接受；来自当前Master路由器的vrrp报文，每当报文到达时,Backup路由器上的Master_Dowm_Timer超时，那么Backup路由器将认为Master路由器已经失效。
Master_Down_Interval：一定时间没有收到来自Master路由器的Vrrp报文后，Backup路由器可认为当前Master路由器已经失效。Master_Down_Interval=（3xMaster_Adver_Interval）+Skew_time。
Skew_time：一个偏移时间，Skew_Time=（（256-vrrp优先级）xMaster_Adver_Interval）/256。

当Master_Down_Timer超时（这意味着它认为当前的Master路由器已经失效）。

将接口的状态切换到Master。
开始从接口发送自己的VRRP报文。
从接口发送一个免费的ARP Request（Gratuitous ARP Request）广播帧，该arp request携带了vrrp 虚拟ip地址及虚拟MAC地址的绑定信息，用于刷新该接口所直连的广播域内的设备的ARP表，MAC地址表。

3.Master（主状态）

处于Master装态的路由器是当前vrrp组的主路由器，它承载数据转发任务。Master路由器会进行如下工作。

当收到关于虚拟ip地址的arp请求时，以虚拟mac地址回应。
转发目的mac地址为虚拟mac地址的报文。
周期性的发送vrrp报文，时间间隔缺省为1s。
当其收到一个vrrp报文时。

① 若该VRRP的优先级为0，则继续发送自己的报文。

② 若该VRRP的优先级不为0，并且比本接口的VRRP优先值更大，或者VRRP优先级相等但是VRRP报文的源IP地址比本接口IP地址更大，则将接口的状态切换到Backup。

③ 若VRRP报文的优先级不为0，并且比本接口的VRRP优先级值更小，则忽略该VRRP报文。

Master路由器的“选举”

在一个VRRP组中，正常情况下只能存在一台Master路由器。Vrrp根据优先级和ip地址来据欸的那个哪一台路由器充当Master。优先级的范围时0~255，优先级的值越大，则路由器越有可能成为Master，其中0及255是两个特殊的优先级，不能被直接配置。

当路由器的接口ip地址与vrrp虚拟ip地址相同时，它的优先级将自动变成最大值255，此时该路由器被称为ip地址拥有者（IP Address Owner）。0时另一个特殊的优先级，它出现在Master路由器主动放弃Master角色时，例如当接口的VRRP配置被手工删掉时，该Master路由器会立即放松一个优先级值为0的VRRP报文，用来通知网络中的Backup路由器。

当一个激活了vrrp的接口up之后，如果接口的vrrp优先级为255，那么其vrrp状态将直接从Intialize切换到Master，而如果接口的VRRP优先级不为255，则首先切换到Backup状态，然后再视竞争结果决定是否能够切换到Master状态。

如果同一个广播域的同一个vrrp组内出现了两台Master，那么它们将比较自己与对方的优先级，优先级值大的设备胜出，继续保持Master状态，而竞争失败的路由器则切换到Backup状态。如果这两台路由器的优先级相等，那摩接口ip地址更大的路由器将会保持Master状态，而另一台设备则切换到Backup状态。

处于Master状态的路由器会周期性的发送VRRP报文，并在报文中描述自己的优先级、ip地址等信息。同一个广播域中、同一个VRRP组的Backup路由器会侦听这些报文。

如果此时网络中出现了一台Backup路由器（其优先级高于当前Master路由器），激活了浆站功能，那摩它会忽略收到的VRRP报文，并且切换到Master状态，同时发送自己的VRRP报文并在报文中描述其优先级等信息，而此前的Master路由器在收到了该VRRP报文之后，则切换到Backup状态。