VRRP协议

VRRP协议


作者：林海枫

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VRRP协议简述：

在我们所熟悉的局域网中，通常采用下图的拓扑进行布线配置。

路由器R可以使用PC机充当，它的eth0和eth1分别是连接外网和内网的接口，IP地址设置如上图所示。因而eth1就成为下面主机（H）的网关，也即下一路的地址，故下面主机的网关都要手工配置为eth1的IP，192.168.0.1。

为主机配置网关，也即决定路由的下一跳路由，方法有很多，如运态路由算法，ICMP发现机制和上述这种手工配置方法等等。通常在一个局域网中，主机数多不会很多，如果采用动态路由算法的话，则会产生大量的数据包，并且如果有主机（路由器）出现中断时，由于协议收敛需要一定的时间，因而会出现网络所谓的“黑洞”。而采用静态配置方法而减少为维护协议而产生的数据包，但是会产生单点失效的现象，如果网送受到攻击或失效，那整个网络都不能与外界通信。

VRRP通过指定竞选协议来提供一个虚拟路由器的功能，并且协议所有通信都采用IP多播报文。虚拟路由器由VRID(virtual router identifier)唯一标识，即一个标识标记一个虚拟路由器。在参与的VRRP路由器中，通过包装在IP多播报文中的VRRP报文中的ID值来标识该虚拟路由器，并且在局域网中每个VRID只能对应一个虚拟路由器。

所有的VRRP路由器，都有三种状态，分别是Initiation, Master和backup。第一种状态Initiation表明该VRRP路由器还没有进行竞选，所对应的接口没有正常工作。Master状态表示该VRRP路由器为主控状态，它肩负着虚拟路由器的重任，所有对虚拟路由器的请求它都要一一回复。backup状态表明该VRRP路由器处理备份状态，它不能处理任何对虚拟路由器的请求，相对主处于Master状态的VRRP而言，它充当备份的角色，如果Master状态的VRRP路由器突然失效或掉线，那么它有会从backup状态切换成master状态，处理对虚拟路由器的任何请求。

虚拟路由器通常由多个VRRP路由器至少两个组成，在稳定状态时只有一个为Master状态，多个为Backup状态。每个VRRP路由器通过预设的优先级(Priority)进行竞选进而成为主控路由器或备份路由器。既然由所有VRRP路由共同组成一个虚拟路由器，那么该虚拟路由器的工作方式与实现路由器应该是一样的，故虚拟路由器会一个或多个虚拟IP地址和一个虚拟MAC地址。同样处于Master状态的VRRP路由器称为主控路由器，而处于backup状态的称为备份路由器。

前面提过，每个VRID只能对应一个虚拟路由器，但是局域网内是可以有多个虚拟路由器。因为每个虚拟路由器表现为一真实的路由器，有自己的IP地址和MAC地址。同样，每个真实路由器是可参与到多个虚拟路由的。它会根据接收到的VRRP报文中的VRID值来识别虚拟路由器，并进行状态的切换。 

使用VRRP协议后，局域网的拓扑结构也变为如下图如所示：

            +-----------+      +-----------+
            |   Rtr1    |      |   Rtr2    |
            |(MR VRID=1)|      |(BR VRID=1)|
            |           |      |           |
    VRID=1  +-----------+      +-----------+
    IP A,vIP ---------->*            *<--------- IP B
                    |            |
                    |            |
  ------------------+------------+-----+--------+--------+--------+--
                                       ^        ^        ^        ^
                                       |        |        |        |
                                     (vIP)    (vIP)    (vIP)    (vIP)
                                       |        |        |        |
                                    +--+--+  +--+--+  +--+--+  +--+--+
                                    |  H1 |  |  H2 |  |  H3 |  |  H4 |
                                    +-----+  +-----+  +--+--+  +--+--+
     图例：
              ---+---+---+--  =  以太网，令牌网或FDDI
                           H  =  主机
                          MR  =  主控路由器
                          BR  =  备份路由器
                           *  =  IP Address
                        (IP)  =  主机的默认路由

在上图中，Rtr1和Rtr2运行VRRP协议，组成一个虚拟路由器，VRID值为1。根据设置的优先级，此时Rtr1为主控路由器，它除了具有自身的IP地址外，还有具有vIP（虚拟IP地址）,即虚拟路由器的IP地址；而Rtr2为备份路由器，只具有自己的IP地址。下面的主机只需把虚拟IP作为自己的网关。如Rtr1丢线或失效，那么Rtr2会成为主控路由器，处理所有对虚拟路由器的请求，这样它除了本身的IP地址，还具有 vIP，可以及时地为下面的主机进行转发数据包。

从上面的例子可以看到，路由器Rtr1和Rtr2运行VRRP协议，共同组成一个虚拟路由器。此虚拟路由器由一个主控路由器和多个备份路由器组成。它们过能VRRP的竞选协议进行自已切换状态。无论VRRP路由的状态如何改变，对于下面的主机，它们组成的虚拟路由器是不会发生变化的，因为它的虚拟IP地址和MAC地址是不会发生改变的，即使主控路由器发生了变化，新的主控路由器会把虚拟路由器所对应虚拟IP地址和虚拟MAC地接管过来，处理对虚拟IP和MAC的请求。 

在上图中，只有当Rtr1失效或丢线时，Rtr2才充当主控路由器；否则所有从主机通向外网的流量都通过Rtr1，从而使得Rtr1和Rtr2负载不均衡。依此，可以使Rtr1和Rtr2参与到两个VRRP中去，对于每个路由器，在参与的两个虚拟路器中分别为主控路由器和备份路由，就可以实现负载均衡了，如下图所示：

            +-----------+      +-----------+
            |   Rtr1    |      |   Rtr2    |
            |(MR VRID=1)|      |(BR VRID=1)|
            |(BR VRID=2)|      |(MR VRID=2)|
    VRID=1  +-----------+      +-----------+  VRID=2
    IP A, vIP1 ---->*            *<-------- IP B,vIP2
                    |            |
                    |            |
  ------------------+------------+-----+--------+--------+--------+--
                                       ^        ^        ^        ^
                                       |        |        |        |
                                     (vIP1)   (vIP1)   (vIP2)   (vIP2)
                                       |        |        |        |
                                    +--+--+  +--+--+  +--+--+  +--+--+
                                    |  H1 |  |  H2 |  |  H3 |  |  H4 |
                                    +-----+  +-----+  +--+--+  +--+--+
     图例：
              ---+---+---+--  =  以太网，令牌网或FDDI
                           H  =  主机
                          MR  =  主控路由器
                          BR  =  备份路由器
                           *  =  IP Address
                        (IP)  =  主机的默认路由

在此图中，Rtr1和Rtr2参与两个VRRP, VRID分别是1和2。Rtr1在VRID=1的虚拟路由器中允当主控路由器，而在VRID=2的虚拟路由器中充当备份路由器；相反，Rtr2在VRID=1的虚拟路由器中充当备份路由器，在VRID=2的虚拟路由器充当主控路由器。两个虚拟路由器的虚拟IP分别是vIP1和vIP2。一部分主机使用vIP1为网关，而另一半部使用vIP2为网关。这样主机通往外面的流量由Rtr1和Rtr2平均分担。而当其中某一路由器失效时，另一个路由器会在VRID=1和2的两个虚拟路由器中成为主控路由，所有主机的通往外面的流量都由它来处理。因此，在VRRP协议中，某一路由器失效或掉线都不会影响下面主机的正常通信。故VRRP的使用路由的冗余来使得网络更加可靠。

在本节中介绍VRRP协议的通信方式和报文，在下节将会介绍它的竞选机制。

VRRP协议的通信报文用于与其它的VRRP路由器进行通信，用于向其它VRRP路由器告知自己参与的VRID以及在此VRID对应虚拟路由器中的优先级和状态。VRRP报文封装在IP报文中，目标地址为分配给VRRP协议使用的IPv4的多播地址。

下面是VRRP协议通信的报文格式，它封装在IP报文中。

    0               1               2               3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version| Type  | Virtual Rtr ID|   Priority    | Count IP Addrs|
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |   Auth Type   |   Adver Int   |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                         IP Address (1)                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                            .                                  |
   |                            .                                  |
   |                            .                                  |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                         IP Address (n)                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                     Authentication Data (1)                   |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                     Authentication Data (2)                   |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

下面介绍VRRP报文中各字段的意义：

Version（4bit): 描述VRRP协议报文的版本，当前最新版本为2。

Type(4bit):表明VRRP报文的类，版本2的VRRP协议只定义唯一一种VRRP报文，值如下：

1          ADVERTISEMENT（广播）

如果报文中的Type不是为1，则该报文将被丢弃。

Virtaul Rtr ID(VRID)(1Byte):VRID用于标识它参与的虚拟路由器，大小为1到255。

Priorty：表示该VRRP路由器的优先级，数值越大则优先级越高，该字段为8位的无符号整数。

其中优先级为0表示主控路由器停止参与VRRP，用于让备份路由器迅速切换成主控路由器，而不用等到原来主控路由器信息超时才切换。

Count IP Addrs:表示虚拟IP地址的个数

Authentication Type:表示验证采用的方法。8位级成的无符号整数，当前的值如下：

0 - 不使验证方法

1 - 保留

2 - 保留

在早期的VRRP规范说明[RFC2338]中定义了几种验证方法，其中值为1和2是与早期的VRRP协议相互兼容，至现在为止，最新的规范[RFC3768]将它值限制为0，但同时对1和2不再作验证处理，只是与原来的协议相一致。

Advertisement Interval (Adver Int)：表示两个ADVERTISEMENT报文的时间间隔（单位为秒），默认为1。如果VRRP路由器配置出错或状态不正确，通过竞选协议和该字段值可使VRRP路由切换到正确的状态。

Checksum：用于检测VRRP报文中的数据是否出错。

IP Address(es)：虚拟路由器的IP地址列表，可为一个或多个IP地址。

Authentication Data：验证数据，在当前最新的VRRP规范说明中不使用该字段，只需设置为全0。它只是与早期的VRRP协议相互兼容。

刚才说过，VRRP报文封装在IP报文中，VRRP协议对它的承载体IP报文有严格的限制，要求如下：

Source Address(源地址）：应为路由器的真实IP地址

Destionation Address(目标地址）：使用由IANA分配给VRRP的IP多播地址：224.0.0.18。这是局域网内的多播地址，路由器不能转发目标地址为224.0.0.18的报文，不管它的TTL是否不为0。

TTL（生存周期）：承载VRRP的IP报文中的TTL必须为255。如果VRRP路由器接收到任一个TTL不为255的IP报文将丢弃它。

Protocol(协议）：VRRP协议在IP报文中的编号，值为112（由IANA分配）。

    运行VRRP协议的VRRP路由器对外组成一个虚拟路由器，其中之一处于Master状，称为主控路由器，而其它的处于backup状态，称为备份路由。起初没有主控路由器，或者主控路由器丢线，再者主控路由器不参考VRRP协议，那么将选择一个优选级最高的备份路由器成为主控路由器，这需VRRP的竞选机制来维护各个VRRP路由器的状态。

为了方便描述，下面是每个VRRP路由器都具有的参数。

VRID     它所参与的虚拟路由器的ID，它决定发出的VRRP报文中的irtual Rtr ID (VRID)。

Priority  VRRP路由器的优先级，它决定发出的VRRP报文中的Priority。

IP_Address 虚拟路由器的虚拟IP地址，同样它决定发出的VRRP报文中IP地址的个数和IP地址值。

Advertisement_Interval:两个ADEVERTISEMENTS报文的时间间隔，默认为1，决定VRRP报文中的Adver Int。

Skew_Time 主控路由放弃参与VRRP时备份路由器切换成主控里面所需等待的时间，值用如下公试计算：

                       ( (256 - Priority) / 256 )

Master_Down_Interval:处于backup状态的VRRP路由器会用到此值，如果在一段长为Master_Down_Interval时间内没有收到主控中路由器的ADEVERTISEMENT报文将认为它失效或丢掉。该值计算机如下：

(3 * Advertisement_Interval) + ( (256 - Priority) / 256 )

Preempt_Mode：表明竞选机制是否可抢占的。当一个备份路由器的优先级比主控路由器的优先级还要高时，如果是可抢占，则备份路由器则把状态变为Master，原来的主控路由器状态变为backup；如果是不可抢占，则只有等主控路由器失效或掉线时，高优先级的备份路由器才能变为Master状态。

与上面定义的两个时间间隔对应，定义两个定时器，一个在主控路由器使用，另一个在备份路由器使用：

Master_Down_Timer     如果在时间段为Master_Down_Interval内没有收到主控路由器的ADVERTISEMENT报文，此定时间器激活。在备份路由器中使用。

Adver_Timer    此定时时用于主控路由器广播一个ADVERTISEMENT报文，时间间隔为Advertisement_Interval。在主控路由器中使用。

VRRP路由器在竞选机制中，将会在三种状态中相互转换。下介绍依次介绍处于三种状态向其它状态转换的条件和过程。

Initialize状态表明该路由器还没有正常工作，它不做任何事情，它只等待一个start up事件。如果一个start up事件到来（如ifup命令），它将完成如下事件：

--如果 Priority == 255 则

           发送一个ADVERTISEMENT报文

           广播一个免费的ARP请求，该请求包含虚拟器由器的IP地址和它所对应的MAC地址

           启动Adver_Timer定时器，时间间隔为Advertisement_Interval

           切换到Master状态成为主控路由器

--否则

            启动Master_Down_Timer定时器，时间间隔为Master_Down_Interval

           切换到Backup状态成为备份路由器

          处于Master状态的VRRP路由器，必须肩负虚拟路由器的任务，转发地址为虚拟路由器IP地址的所有报文。处于此状态的VRRP路由器，必须：

                  回复目标为虚拟路由器IP地址的ARP请求。

                 转发数据链路层目的MAC地址为虚拟路由器MAC地址的报文

                 如果报文的目的地址为虚拟路由器的IP地址，而不是路由器的真实地址，则不接受。

                如果报文的目的地址为虚拟路由器的IP地址，同时路由器的真实地址，则接受。

最后

以上就是冷傲小懒猪为你收集整理的VRRP协议的全部内容，希望文章能够帮你解决VRRP协议所遇到的程序开发问题。

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