VRRP技术详解

1  概述

1.1  产生背景

随着Internet的发展,人们对网络可靠性的要求越来越高。特别是对于终端用户来说,能够实时与网络其他部分保持联系是非常重要的。一般来说,主机通过设置默认网关来与外部网络联系,如图1所示:

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常用局域网组网方案

主机将发送给外部网络的报文发送给网关,由网关传递给外部网络,从而实现主机与外部网络的通信。正常的情况下,主机可以完全信赖网关的工作,但是当网关坏掉时,主机与外部的通信就会中断。要解决网络中断的问题,可以依靠再添加网关的方式解决,不过由于大多数主机只允许配置一个默认网关,此时需要网络管理员进行手工干预网络配置,才能使得主机使用新的网关进行通信;有时,人们运用动态路由协议的方法来解决网络出现故障这一问题,如运行RIPOSPF等,或者使用IRDP。然而,这些协议由于配置过于复杂,或者安全性能不好等原因都不能满足用户的需求。

为了更好地解决网络中断的问题,网络开发者提出了VRRP,它既不需要改变组网情况,也不需要在主机上做任何配置,只需要在相关路由器上配置极少的几条命令,就能实现下一跳网关的备份,并且不会给主机带来任何负担。和其他方法比较起来,VRRP更加能够满足用户的需求。

1.2  技术优点

VRRP是一种容错协议,它保证当主机的下一跳路由器出现故障时,由另一台路由器来代替出现故障的路由器进行工作,从而保持网络通信的连续性和可靠性。

VRRP具有如下优点:

l              简化网络管理。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,也无需修改主机的默认网关配置。

l              适应性强。VRRP报文封装在IP报文中,支持各种上层协议。

l              网络开销小。VRRP只定义了一种报文——VRRP通告报文,并且只有处于Master状态的路由器可以发送VRRP报文。

2  VRRP协议介绍

2.1  相关术语

l              虚拟路由器:由一个Master路由器和多个Backup路由器组成。主机将虚拟路由器当作默认网关。

l              VRID:虚拟路由器的标识。有相同VRID的一组路由器构成一个虚拟路由器。

l              Master路由器:虚拟路由器中承担报文转发任务的路由器。

l              Backup路由器:Master路由器出现故障时,能够代替Master路由器工作的路由器。

l              虚拟IP地址:虚拟路由器的IP地址。一个虚拟路由器可以拥有一个或多个IP地址。

l              IP地址拥有者: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。

l              虚拟MAC地址:一个虚拟路由器拥有一个虚拟MAC地址。虚拟MAC地址的格式为00-00-5E-00-01-{VRID}。通常情况下,虚拟路由器回应ARP请求使用的是虚拟MAC地址,只有虚拟路由器做特殊配置的时候,才回应接口的真实MAC地址。

l              优先级:VRRP根据优先级来确定虚拟路由器中每台路由器的地位。

l              非抢占方式:如果Backup路由器工作在非抢占方式下,则只要Master路由器没有出现故障,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。

l              抢占方式:如果Backup路由器工作在抢占方式下,当它收到VRRP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。如果自己的优先级比当前的Master路由器的优先级高,就会主动抢占成为Master路由器;否则,将保持Backup状态。

2.2  虚拟路由器简介

VRRP将局域网内的一组路由器划分在一起,形成一个VRRP备份组,它在功能上相当于一台虚拟路由器,使用虚拟路由器号进行标识。以下使用虚拟路由器代替VRRP备份组进行描述。

虚拟路由器有自己的虚拟IP地址和虚拟MAC地址,它的外在表现形式和实际的物理路由器完全一样。局域网内的主机将虚拟路由器的IP地址设置为默认网关,通过虚拟路由器与外部网络进行通信。

虚拟路由器是工作在实际的物理路由器之上的。它由多个实际的路由器组成,包括一个Master路由器和多个Backup路由器。Master路由器正常工作时,局域网内的主机通过Master与外界通信。当Master路由器出现故障时,Backup路由器中的一台设备将成为新的Master路由器,接替转发报文的工作,如图2所示。

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虚拟路由器示意图

2.3  VRRP工作过程

VRRP的工作过程为:

(1)        虚拟路由器中的路由器根据优先级选举出MasterMaster路由器通过发送免费ARP报文,将自己的虚拟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;

(2)        Master路由器周期性发送VRRP报文,以公布其配置信息(优先级等)和工作状况;

(3)        如果Master路由器出现故障,虚拟路由器中的Backup路由器将根据优先级重新选举新的Master

(4)        虚拟路由器状态切换时,Master路由器由一台设备切换为另外一台设备,新的Master路由器只是简单地发送一个携带虚拟路由器的MAC地址和虚拟IP地址信息的免费ARP报文,这样就可以更新与它连接的主机或设备中的ARP相关信息。网络中的主机感知不到Master路由器已经切换为另外一台设备。

(5)        Backup路由器的优先级高于Master路由器时,由Backup路由器的工作方式(抢占方式和非抢占方式)决定是否重新选举Master

由此可见,为了保证Master路由器和Backup路由器能够协调工作,VRRP需要实现以下功能:

l              Master路由器的选举;

l              Master路由器状态的通告;

l              同时,为了提高安全性,VRRP还提供了认证功能;

下面将从上述三个方面详细介绍VRRP的工作过程。

2.3.1  Master路由器的选举

VRRP根据优先级来确定虚拟路由器中每台路由器的角色(Master路由器或Backup路由器)。优先级越高,则越有可能成为Master路由器。

初始创建的路由器工作在Backup状态,通过VRRP报文的交互获知虚拟路由器中其他成员的优先级:

l              如果VRRP报文中Master路由器的优先级高于自己的优先级,则路由器保持在Backup状态;

l              如果VRRP报文中Master路由器的优先级低于自己的优先级,采用抢占工作方式的路由器将抢占成为Master状态,周期性地发送VRRP报文,采用非抢占工作方式的路由器仍保持Backup状态;

l              如果在一定时间内没有收到VRRP报文,则路由器切换为Master状态。

VRRP优先级的取值范围为0255(数值越大表明优先级越高),可配置的范围是1254,优先级0为系统保留给路由器放弃Master位置时候使用,255则是系统保留给IP地址拥有者使用。当路由器为IP地址拥有者时,其优先级始终为255。因此,当虚拟路由器内存在IP地址拥有者时,只要其工作正常,则为Master路由器。

2.3.2  Master路由器状态的通告

Master路由器周期性地发送VRRP报文,在虚拟路由器中公布其配置信息(优先级等)和工作状况。Backup路由器通过接收到VRRP报文的情况来判断Master路由器是否工作正常。

Master路由器主动放弃Master地位(如Master路由器退出虚拟路由器)时,会发送优先级为0VRRP报文,致使Backup路由器快速切换变成Master路由器。这个切换的时间称为Skew time,计算方式为:(256Backup路由器的优先级)/256,单位为秒。

Master路由器发生网络故障而不能发送VRRP报文的时候,Backup路由器并不能立即知道其工作状况。Backup路由器等待一段时间之后,如果还没有接收到VRRP报文,那么会认为Master路由器无法正常工作,而把自己升级为Master路由器,周期性发送VRRP报文。如果此时多个Backup路由器竞争Master路由器的位置,将通过优先级来选举Master路由器。Backup路由器默认等待的时间称为Master_Down_Interval,取值为:(3×VRRP报文的发送时间间隔)+Skew time,单位为秒。

在性能不够稳定的网络中,Backup路由器可能因为网络堵塞而在Master_Down_Interval期间没有收到Master路由器的报文,而主动抢占为Master位置,如果此时原Master路由器的报文又到达了,就会出现虚拟路由器的成员频繁的进行Master抢占现象。为了缓解这种现象的发生,特制定了延迟等待定时器。它可以使得Backup路由器在等待了Master_Down_Interval后,再等待延迟等待时间。如在此期间仍然没有收到VRRP报文,则此Backup路由器才会切换为Master路由器,对外发送VRRP报文。

2.3.3  认证方式

VRRP提供了三种认证方式:

l              无认证:不进行任何VRRP报文的合法性认证,不提供安全性保障。

l              简单字符认证:在一个有可能受到安全威胁的网络中,可以将认证方式设置为简单字符认证。发送VRRP报文的路由器将认证字填入到VRRP报文中,而收到VRRP报文的路由器会将收到的VRRP报文中的认证字和本地配置的认证字进行比较。如果认证字相同,则认为接收到的报文是合法的VRRP报文;否则认为接收到的报文是一个非法报文。

l              MD5认证:在一个非常不安全的网络中,可以将认证方式设置为MD5认证。发送VRRP报文的路由器利用认证字和MD5算法对VRRP报文进行加密,加密后的报文保存在AuthenticationHeader(认证头)中。收到VRRP报文的路由器会利用认证字解密报文,检查该报文的合法性。

3  Comware实现的技术特色

3.1  监视上行链路

VRRP网络传输功能有时需要额外的技术来完善其工作。例如,Master路由器到达某网络的链路突然断掉时,主机无法通过此Master路由器远程访问该网络。此时,可以通过监视指定接口上行链路功能,解决这个问题。当Master路由器发现上行链路出现故障后,主动降低自己的优先级(使Master路由器的优先级低于Backup路由器),并立即发送VRRP报文。Backup路由器接收到优先级比自己低的VRRP报文后,等待Skew_Time切换为新的Master路由器。从而,使得能够到达此网络的Backup路由器充当VRRP新的Master路由器,协助主机完成网络通讯。

VRRP可以直接监视连接上行链路的接口状态。当连接上行链路的接口down时,将Master路由器降低指定的优先级。VRRP优先级最低可以降低到1

VRRP可以利用NQA技术监视上行链路连接的远端主机或者网络状况。例如,Master设备上启动NQAICMP-echo探测功能,探测远端主机的可达性。当ICMP-echo探测失败时,它可以通知本设备探测结果,达到降低VRRP优先级的目的。

VRRP也可以利用BFD技术监视上行链路连接的远端主机或者网络状况。由于BFD的精度可以到达10ms,通过BFD能够快速检测到链路状态的变化,达到快速抢占的目的。例如,可以在Master路由器上使用BFD技术监视上行设备的物理状态,在上行设备坏掉之后,快速检测到该变化,并降低Master路由器的优先级,致使Backup路由器等待Skew time后,抢占成为新的Master路由器。

3.2  Backup监视Master工作状态

Backup路由器在Master路由器坏掉之后,正常情况下需要等待Master_Down_Interval才能切换为新的Master的位置,这段时间内主机将无法正常通信,因为此时没有Master设备替它转发报文。为了解决这个网络故障,Backup设备提供了一个监听Master工作状态的功能,使得Master路由器坏掉之后Backup能够立即切换成为新的Master路由器,维持网络通讯。

Backup路由器监视Master路由器采用的是具有快速检测功能的BFD技术。在Backup设备上使用该技术监视Master路由器的状态,一旦Master路由器发生故障,Backup就可以自动切换成为新的Master路由器,将切换时间缩短到毫秒级。

4  典型组网案例

4.1  主备备份

主备备份方式表示业务仅由Master路由器承担。当Master路由器出现故障时,才会由选举出来的Backup路由器接替它工作。如图3中所示。

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主备备份VRRP

初始情况下,Device AMaster路由器并承担转发任务,Device BDevice CBackup路由器且都处于就绪监听状态。如果Device A发生故障,则虚拟路由器内处于Backup状态的Device BDevice C路由器将根据优先级选出一个新的Master路由器,这个新Master路由器继续为网络内的主机转发数据。

4.2  负载分担

在路由器的一个接口上可以创建多个虚拟路由器,使得该路由器可以在一个虚拟路由器中作为Master路由器,同时在其他的虚拟路由器中作为Backup路由器。

负载分担方式是指多台路由器同时承担业务,因此负载分担方式需要两个或者两个以上的虚拟路由器,每个虚拟路由器都包括一个Master路由器和若干个Backup路由器,各虚拟路由器的Master路由器可以各不相同,如图4中所示。

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负载分担VRRP

在图4中,有三个虚拟路由器存在:

l              虚拟路由器1Device A作为Master路由器,Device BDevice C作为Backup路由器。

l              虚拟路由器2Device B作为Master路由器,Device ADevice C作为Backup路由器。

l              虚拟路由器3Device C作为Master路由器,Device ADevice B作为Backup路由器。

为了实现业务流量在Device ADevice BDevice C之间进行负载分担,需要将局域网内的主机的默认网关分别设置为虚拟路由器123。在配置优先级时,需要确保三个虚拟路由器中各路由器的VRRP优先级形成一定的交叉,使得一台路由器尽可能不同时充当2Master路由器。

4.3  Master使用BFD/NQA监视上行链路

VRRP可以通过BFDNQA等快速检测协议监视一些上行敏感链路,使得Master路由器快速地发现网络故障,降低自身的优先级,从而保证上行链路工作正常的Backup路由器能够接替它的工作。

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5 Master监视上行链路

如图5所示,初始情况下,Device A作为Master路由器,承担转发任务;Device BBackup路由器,处于就绪监听状态。Device A使用BFD监视上行到达Internet的链路状态。如果Device A的上行链路发生故障,Device A可以在毫秒级感知到网络变化,立即发送低优先级的VRRP报文给Device B。如果此时Device B的优先级高于报文中的优先级,那么它将在Skew Time时间之后切换为新的Master路由器,之后由这个新的Master路由器为网络内的主机转发数据。

4.4  Backup使用BFD监视Master状态

为了保证网络传输的稳定性,可以在Backup设备上使用BFD技术监视Master的状态,使得Master设备发生故障时,Backup设备能够立即切换为新的Master设备。

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6 Backup监视Master状态

如图6中所示,初始情况下,DeviceA作为Master路由器,承担转发任务;DeviceBBackup路由器,处于就绪监听状态。DeviceB使用BFD监视DeviceAIP地址10.1.1.1的可达性。如果Device A发生故障,DeviceB可以立即通过BFD感知到对端的变化,主动切换成为新的Master设备,之后这个新Master路由器将为网络内的主机转发数据。

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