VRRP

巴洛克先生
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基本概念

名称备注
VRRP路由器配置了VRRP接口的路由器，需要协同的接口必须属于同一个广播域
VRRP组及VRID使用VRID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
虚拟路由器、虚拟IP地址、虚拟MAC地址虚拟IP地址由管理员在配置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地址的格式是“0000-5e99-01xx”，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。实际上虚拟路由器接收及转发数据包的路由器是master路由器
master路由器、backup路由器master路由器在一个VRRP组中承担报文转发任务。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地发送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。优先级（Priority）越大则路由器越有可能成为master路由器，如果优先级相同，则接口IP地址越大的路由器越优先
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，如果backup路由器没有激活抢占功能，那么即使它发现master路由器的优先级比自己更低，也只能保持backup状态，直到master路由器失效，默认激活

报文格式

VRRP只定义一种报文格式，通告（Advertisement）报文，它被封装在IP报文中，IP头部的协议号字段值为112，报文的目的IP地址是组播224.0.0.18

字段描述
版本（Version）对于VRRPv2来说，值为2
类型（Type）VRRP只定义了通告报文，值为1
虚拟路由器ID（VRID）虚拟路由器的标识符，取值范围是1-255，属于同一个VRRP组的路由器需使用相同的VRID
优先级（Priority）取值范围0-255，该值越大，则VRRP优先级越高，路由器也就越有可能成为master。缺省为100
IP地址个数（Count IP Address）VRRP组中虚拟IP地址的个数。这个字段的值指示了该报文后续的“IP地址”字段个数
认证类型（Authentication Type）VRRP报文的认证类型。当该字段为0时，表示无认证；当该字段为1时，表示明文认证；当该字段为2时，表示MD5认证；
通告间隙（Advertisement Interval）VRRP报文的发送时间间隔（单位为秒），缺省时，间隔为1s
校验和（Checksum）校验和
IP地址（IP Address）VRRP虚拟IP地址
认证数据（Authentication Data）VRRP认证数据，当VRRP明文认证或MD5认证被激活时，该字段则填充相应的数据

状态

状态描述
Initialize（初始状态）在接口配置VRRP后，如果该接口是Down（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
Backup（备份状态）不会参与数据转发工作，但会监控当前master路由器的状态。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；实时侦听master路由器发送的VRRP报文；
Master（主状态）承担数据转发任务。当收到关于虚拟IP地址的ARP请求时，以虚拟MAC地址进行回应；转发目的MAC地址为虚拟MAC地址的报文；周期性发送VRRP报文，时间间隔缺省为1s；

Backup（备份状态）收到一个VRRP报文时候：

  • 若该VRRP报文的优先级为0（这可能意味着当前master路由器希望主动放弃master状态），则将Master_Down_Timer设置为Skew_Time
  • 若该VRRP报文的优先级不为0，则当抢占模式未激活时，或者当VRRP报文中的优先级大于或等于本接口的优先级时，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报文并且立即切换到master状态

Master（主状态）收到一个VRRP报文时候：

  • 若该VRRP报文的优先级为0，则继续发送自己的报文
  • 若该VRRP报文的优先级不为0，并且比本接口的VRRP优先级值更大，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
  • 若该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
名称描述
Master_Adver_Intervalmaster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_Timerbackup路由器将持续接收来自当前master路由器的VRRP报文，每当报文到达时，backup路由器上的Master_Down_Timer会被重置。如果一定时间内没有收到来自master路由器的VRRP报文并导致Master_Down_Timer超时，那么backup路由器将认为master路由器已经失效；当Master_Down_Timer超时，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表和MAC地址表
Master_Down_Interval一定时间没有收到来自master路由器的VRRP报文后，backup路由器可以认为当前master路由器已经失效。Master_Down_Interval=（3*Master_Adver_Interval）+Skew_Time
Skew_Time一个偏移时间，Skew_Time=（（256-VRRP优先级）*Master_Adver_Interva）/256

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地址来决定哪台路由器充当master。优先级的范围是0-255，优先级越大路由器越有可能成为master，其中0和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相同时，它的优先级将自动变成最大值255，此时该路由器称为IP地址拥有者（IP Address Owner）。0是出现在master路由器主动放弃master角色时，例如当接口的VRRP配置被手工删除时，该master路由器会立即发送一个优先级为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Initialize切换到master，而如果接口的状态优先级不为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。

如果在同一个广播域内的同一个VRRP组内出现两台master路由器，那么它们将比较自己与对方的优先级，如果优先级相等，则比较接口IP地址，更大的胜出。

处于master状态的路由器会周期性发送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。如果此时网络中新出现一台backup路由器（其优先级高于当前master路由器），激活了抢占功能，那么它会忽略收到的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报文后，则切换到backup报文。

工作过程

image.png

  1. 假设AR1率先启动，AR1的G0/0/0口的VRRP首先进入Initialize状态，当接口UP后，其VRRP状态将从Initialize切换到Backup，并且在Master_Down_Timer超时后切换到master状态，AR1将成为master路由器。随后它会立即发送一个免费的ARP报文，PC1在收到这个ARP报文后，就绑定192.168.1.254和虚拟MAC地址的对应关系，交换机也会将虚拟MAC地址与G0/0/1口绑定MAC表项。此后AR1每1s周期性发送VRRP报文。
  2. AR2开始工作后，AR2的G0/0/0口将从Initialize状态切换到Backup状态，并且收到AR1发来的VRRP报文，从这些报文中得知自己的优先级小于AR1的优先级，因此它还是保持Backup状态
  3. 假设后面有外部网络，现在PC1要发送数据给外部网络，由于目的IP地址不在本地网段中，因此它将数据包发往自己的默认网关，也就是192.168.1.254，查询ARP表后，封装数据帧发出，到交换机后，交换机查询MAC表项然后从MAC地址对应的接口发出给AR1，最后AR1数据转发到外部网络。
  4. 当AR1与交换机之间的链路故障时，AR2无法收到AR1发送的VRRP报文，等待Master_Down_Timer超时后，AR2将VRRP状态切换到Master，然后立即发送一个免费的ARP报文，如此一来，交换机的MAC表项被刷新，虚拟MAC地址被关联到G0/0/2口上，PC1发往目的MAC地址的数据帧被引导至AR2。
  5. 接下来让一个AR1与交换机之间的链路从故障中恢复，AR1的G0/0/0口的VRRP状态将从Initialize切换到Backup，同时它将收到AR2发送的VRRP报文，发现自己的优先级比AR2的优先级大，此时如果AR1激活了抢占功能（缺省激活，抢占的延迟时间为0s，也就是立即执行抢占），那么它将忽略AR2所发送的VRRP报文，并且将VRRP状态切换到master，同时从G0/0/0口发出一个免费的ARP报文。如果AR1没有激活抢占功能，那么它将保持Backup状态
  6. AR2收到AR1发送的VRRP报文后，发现自己的优先级比对方更低，因此将Master状态切换到Backup状态
//创建一个VRID为1的VRRP组，虚拟IP为192.168.1.254
vrrp vrid 1 virtual-ip 192.168.1.254

//设置VRID为1的VRRP优先级120，缺省100
vrrp vrid 1 priority 120

//抢占的延时时间设置为60s
vrrp vrid 1 preempt-mode timer delay 60

//监视G0/0/1口，如果该接口状态变为Down（无论是协议状态还是物理状态）
//那么VRRP优先级将被立即减去30
vrrp vrid 1 track interface G0/0/1 reduced 30

VRRP+MSTP典型组网方案

image.png

//LSW1的配置
#
vlan batch 10 20
#
stp region-configuration
 region-name hcnp
 instance 10 vlan 10
 instance 20 vlan 20
 active region-configuration
#
interface Ethernet0/0/1
 port link-type access
 port default vlan 10
#
interface Ethernet0/0/2
 port link-type access
 port default vlan 20
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 port link-type trunk
 port trunk allow-pass vlan 10 20
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 port link-type trunk
 port trunk allow-pass vlan 10 20
#

//LSW2的配置
vlan batch 10 20
#
stp instance 10 root primary
stp instance 20 root secondary
#
stp region-configuration
 region-name hcnp
 instance 10 vlan 10
 instance 20 vlan 20
 active region-configuration
#
interface Vlanif10
 ip address 192.168.10.253 255.255.255.0
 vrrp vrid 10 virtual-ip 192.168.10.254
 vrrp vrid 10 priority 120
#
interface Vlanif20
 ip address 192.168.20.253 255.255.255.0
 vrrp vrid 20 virtual-ip 192.168.20.254
#
interface Eth-Trunk0
 port link-type trunk
 port trunk allow-pass vlan 10 20
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 eth-trunk 0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 eth-trunk 0
#
interface GigabitEthernet0/0/3
 port link-type trunk
 port trunk allow-pass vlan 10 20
#

//LSW3的配置
#
vlan batch 10 20
#
stp instance 10 root secondary
stp instance 20 root primary
#
stp region-configuration
 region-name hcnp
 instance 10 vlan 10
 instance 20 vlan 20
 active region-configuration
#
interface Vlanif10
 ip address 192.168.10.252 255.255.255.0
 vrrp vrid 10 virtual-ip 192.168.10.254
#
interface Vlanif20
 ip address 192.168.20.252 255.255.255.0
 vrrp vrid 20 virtual-ip 192.168.20.254
 vrrp vrid 20 priority 120
#
interface Eth-Trunk0
 port link-type trunk
 port trunk allow-pass vlan 10 20
#
interface GigabitEthernet0/0/1
 eth-trunk 0
#
interface GigabitEthernet0/0/2
 eth-trunk 0
#
interface GigabitEthernet0/0/3
 port link-type trunk
 port trunk allow-pass vlan 10 20
#
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