VRRP
VRRP
Yang简介
虚拟路由冗余协议VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备，将虚拟路由设备的IP地址作为用户的默认网关实现与外部网络通信。当网关设备发生故障时，VRRP机制能够选举新的网关设备承担数据流量，从而保障网络的可靠通信。
随着网络的快速普及和相关应用的日益深入，各种增值业务（如IPTV、视频会议等）已经开始广泛部署，基础网络的可靠性日益成为用户关注的焦点，能够保证网络传输不中断对于终端用户非常重要。
通常，同一网段内的所有主机上都设置一条相同的、以网关为下一跳的缺省路由。主机发往其他网段的报文将通过缺省路由发往网关，再由网关进行转发，从而实现主机与外部网络的通信。当网关发生故障时，本网段内所有以网关为缺省路由的主机将无法与外部网络通信。增加出口网关是提高系统可靠性的常见方法，此时如何在多个出口之间进行选路就成为需要解决的问题。
VRRP的出现很好的解决了这个问题。VRRP能够在不改变组网的情况下，采用将多台路由设备组成一个虚拟路由器，通过配置虚拟路由器的IP地址为默认网关，实现默认网关的备份。当网关设备发生故障时，VRRP机制能够选举新的网关设备承担数据流量，从而保障网络的可靠通信。
- VRRP路由器（VRRP Router）：运行VRRP协议的设备，它可能属于一个或多个虚拟路由器，如RouterA和RouterB。
- 虚拟路由器（Virtual Router）：又称VRRP备份组，由一个Master设备和多个Backup设备组成，被当作一个共享局域网内主机的缺省网关。如RouterA和RouterB共同组成了一个虚拟路由器。
- Master路由器（Virtual Router Master）：承担转发报文任务的VRRP设备，如RouterA。
- Backup路由器（Virtual Router Backup）：一组没有承担转发任务的VRRP设备，当Master设备出现故障时，它们将通过竞选成为新的Master设备，如RouterB。
- VRID：虚拟路由器的标识。如RouterA和RouterB组成的虚拟路由器的VRID为1。
- 虚拟IP地址(Virtual IP Address)：虚拟路由器的IP地址，一个虚拟路由器可以有一个或多个IP地址，由用户配置。如RouterA和RouterB组成的虚拟路由器的虚拟IP地址为10.1.1.10/24。
- IP地址拥有者（IP Address Owner）：如果一个VRRP设备将虚拟路由器IP地址作为真实的接口地址，则该设备被称为IP地址拥有者。如果IP地址拥有者是可用的，通常它将成为Master。如RouterA，其接口的IP地址与虚拟路由器的IP地址相同，均为10.1.1.10/24，因此它是这个VRRP备份组的IP地址拥有者。
- 虚拟MAC地址（Virtual MAC Address）：虚拟路由器根据虚拟路由器ID生成的MAC地址。一个虚拟路由器拥有一个虚拟MAC地址，格式为：00-00-5E-00-01-{VRID}(VRRP for IPv4)；00-00-5E-00-02-{VRID}(VRRP for IPv6)。当虚拟路由器回应ARP请求时，使用虚拟MAC地址，而不是接口的真实MAC地址。如RouterA和RouterB组成的虚拟路由器的VRID为1，因此这个VRRP备份组的MAC地址为00-00-5E-00-01-01。
0000-5e00-01xx 其中xx是vrid
报文格式
vrrp只有一种报文，Advertisement报文，基于组播方式发送，目的组播地址为224.0.0.18，ip协议号：112
| 报文字段 | 含义 | |
|---|---|---|
| VRRPv2 | VRRPv3 | |
| Version | VRRP协议版本号，取值为2。 | VRRP协议版本号，取值为3。 |
| Type | VRRP通告报文的类型，取值为1，表示Advertisement。 | VRRP通告报文的类型，取值为1，表示Advertisement。 |
| Virtual Rtr ID（VRID） | 虚拟路由器ID，取值范围是1～255。 | 虚拟路由器ID，取值范围是1～255。 |
| Priority | Master设备在备份组中的优先级，取值范围是0～255。0表示设备停止参与VRRP备份组，用来使备份设备尽快成为Master设备，而不必等到计时器超时；255则保留给IP地址拥有者。缺省值是100。 | Master设备在备份组中的优先级，取值范围是0～255。0表示设备停止参与VRRP备份组，用来使备份设备尽快成为Master设备，而不必等到计时器超时；255则保留给IP地址拥有者。缺省值是100。 |
| Count IP Addrs/Count IPvX Addr | 备份组中虚拟IPv4地址的个数。 | 备份组中虚拟IPv4或虚拟IPv6地址的个数。 |
| Auth Type | VRRP报文的认证类型。协议中指定了3种类型：0：Non Authentication，表示无认证。1：Simple Text Password，表示明文认证方式。2：IP Authentication Header，表示MD5认证方式。 | - |
| Adver Int/Max Adver Int | VRRP通告报文的发送时间间隔，单位是秒，缺省值为1秒。 | VRRP通告报文的发送时间间隔，单位是厘秒，缺省值为100厘秒（1秒）。 |
| Checksum | 16位校验和，用于检测VRRP报文中的数据破坏情况。 | 16位校验和，用于检测VRRP报文中的数据破坏情况。 |
| IP Address/IPvX Address(es) | VRRP备份组的虚拟IPv4地址，所包含的地址数定义在Count IP Addrs字段。 | VRRP备份组的虚拟IPv4地址或者虚拟IPv6地址，所包含的地址数定义在Count IPvX Addrs字段。 |
| Authentication Data | VRRP报文的认证字。目前只有明文认证和MD5认证才用到该部分，对于其它认证方式，一律填0。 | - |
| rsvd | - | VRRP报文的保留字段，必须设置为0。 |
支持的网络类型不同。VRRPv3适用于IPv4和IPv6两种网络，而VRRPv2仅适用于IPv4网络。
认证功能不同。VRRPv3不支持认证功能，而VRRPv2支持认证功能。
发送通告报文的时间间隔的单位不同。VRRPv3支持的是厘秒级，而VRRPv2支持的是秒级。
状态机
| 状态 | 说明 |
|---|---|
| Initialize | 该状态为VRRP不可用状态，在此状态时设备不会对VRRP报文做任何处理。通常刚配置VRRP时或设备检测到故障时会进入Initialize状态。收到接口Up的消息后，如果设备的优先级为255，则直接成为Master设备；如果设备的优先级小于255，则会先切换至Backup状态。 |
| Master | 当VRRP设备处于Master状态时，它将会做下列工作：定时（Advertisement Interval）发送VRRP通告报文。以虚拟MAC地址响应对虚拟IP地址的ARP请求。转发目的MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文。如果它是这个虚拟IP地址的拥有者，则接收目的IP地址为这个虚拟IP地址的IP报文。否则，丢弃这个IP报文。如果收到比自己优先级大的报文，立即成为Backup。如果收到与自己优先级相等的VRRP报文且本地接口IP地址小于对端接口IP，立即成为Backup。 |
| Backup | 当VRRP设备处于Backup状态时，它将会做下列工作：接收Master设备发送的VRRP通告报文，判断Master设备的状态是否正常。对虚拟IP地址的ARP请求，不做响应。丢弃目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文。如果收到优先级和自己相同或者比自己大的报文，则重置Master_Down_Interval定时器，不进一步比较IP地址。Master_Down_Interval定时器：Backup设备在该定时器超时后仍未收到通告报文，则会转换为Master状态。计算公式如下：Master_Down_Interval=(3 Advertisement_Interval) + Skew_time。其中，Skew_Time=(256–Priority)/256。*如果收到比自己优先级小的报文且该报文优先级是0时，定时器时间设置为Skew_time（偏移时间），如果该报文优先级不是0，丢弃报文，立刻成为Master。 |
VRRP工作过程
- VRRP备份组中的设备根据优先级选举出Master。Master设备通过发送免费ARP报文，将虚拟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。
- Master设备周期性向备份组内所有Backup设备发送VRRP通告报文，以公布其配置信息（优先级等）和工作状况。
- 如果Master设备出现故障，VRRP备份组中的Backup设备将根据优先级重新选举新的Master。
- VRRP备份组状态切换时，Master设备由一台设备切换为另外一台设备，新的Master设备会立即发送携带虚拟路由器的虚拟MAC地址和虚拟IP地址信息的免费ARP报文，刷新与它连接的主机或设备中的MAC表项，从而把用户流量引到新的Master设备上来，整个过程对用户完全透明。
- 原Master设备故障恢复时，若该设备为IP地址拥有者（优先级为255），将直接切换至Master状态。若该设备优先级小于255，将首先切换至Backup状态，且其优先级恢复为故障前配置的优先级。
- Backup设备的优先级高于Master设备时，由Backup设备的工作方式（抢占方式和非抢占方式）决定是否重新选举Master。
- 抢占模式（默认）：在抢占模式下，如果Backup设备的优先级比当前Master设备的优先级高，则主动将自己切换成Master。
- 非抢占模式：在非抢占模式下，只要Master设备没有出现故障，Backup设备即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master设备。
由此可见，为了保证Master设备和Backup设备能够协调工作，VRRP需要实现以下功能：
- Master设备的选举。
- Master设备状态的通告。
下面将从上述两个方面详细介绍VRRP的工作过程。
Master设备的选举
VRRP根据优先级来确定虚拟路由器中每台设备的角色（Master设备或Backup设备）。优先级越高，则越有可能成为Master设备。
初始创建的VRRP设备工作在Initialize状态，收到接口Up的消息后，如果设备的优先级为255，则直接成为Master设备；如果设备的优先级小于255，则会先切换至Backup状态，待Master_Down_Interval定时器超时后再切换至Master状态。首先切换至Master状态的VRRP设备通过VRRP通告报文的交互获知虚拟设备中其他成员的优先级，进行Master的选举：
- 如果VRRP报文中Master设备的优先级高于或等于自己的优先级，则Backup设备保持Backup状态。
- 如果VRRP报文中Master设备的优先级低于自己的优先级，采用抢占方式的Backup设备将切换至Master状态，采用非抢占方式的Backup设备仍保持Backup状态。
- 如果多个VRRP设备同时切换到Master状态，通过VRRP通告报文的交互进行协商后，优先级较低的VRRP设备将切换成Backup状态，优先级最高的VRRP设备成为最终的Master设备；优先级相同时，VRRP设备上VRRP备份组所在接口主IP地址较大的成为Master设备。
- 如果创建的VRRP设备为IP地址拥有者，收到接口Up的消息后，将会直接切换至Master状态。
Master设备状态的通告
Master设备周期性地发送VRRP通告报文，在VRRP备份组中公布其配置信息（优先级等）和工作状况。Backup设备通过接收到VRRP报文的情况来判断Master设备是否工作正常。
- 当Master设备主动放弃Master地位（如Master设备退出备份组）时，会发送优先级为0的通告报文，用来使Backup设备快速切换成Master设备，而不用等到Master_Down_Interval定时器超时。这个切换的时间称为Skew time，计算方式为：（256－Backup设备的优先级）/256，单位为秒。
- 当Master设备发生网络故障而不能发送通告报文的时候，Backup设备并不能立即知道其工作状况。等到Master_Down_Interval定时器超时后，才会认为Master设备无法正常工作，从而将状态切换为Master。其中，Master_Down_Interval定时器取值为：3×Advertisement_Interval＋Skew_time，单位为秒。
VRRP负载分担
负载分担是指多个VRRP备份组同时承担业务，VRRP负载分担与VRRP主备备份的基本原理和报文协商过程都是相同的。同样对于每一个VRRP备份组，都包含一个Master设备和若干Backup设备。与主备备份方式不同点在于：负载分担方式需要建立多个VRRP备份组，各备份组的Master设备可以不同；同一台VRRP设备可以加入多个备份组，在不同的备份组中具有不同的优先级。
配置两个VRRP备份组。
- VRRP备份组1：RouterA为Master设备，RouterB为Backup设备。
- VRRP备份组2：RouterB为Master设备，RouterA为Backup设备。
一部分用户将VRRP备份组1作为网关，另一部分用户将VRRP备份组2作为网关。这样既可实现对业务流量的负载分担，同时，也起到了相互备份的作用。
VRRP监视上行端口
命令：上行接口视图，vrrp vrid 1 track interface g 0/0/1 increased(或者reduced) 30（增加或减少优先级）
VRRP备份组只能感知其所在接口状态的变化，当VRRP设备上行接口或直连链路发生故障时，VRRP无法感知，此时会引起业务流量中断。通过部署VRRP与接口状态联动监视上行接口可以有效地解决上述问题，当Master设备的上行接口或直连链路发生故障时，通过调整自身优先级，触发主备切换，确保流量正常转发。
VRRP可以通过Increased和Reduced方式来监视接口状态：
- 如果VRRP设备上配置以Increased方式监视一个接口，当被监视的接口状态变成Down后，该VRRP设备的优先级增加指定值。
- 如果VRRP设备上配置以Reduced方式监视一个接口，当被监视的接口状态变为Down后，该VRRP设备的优先级降低指定值。
