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虚拟路由器冗余协议VRRP原理详解!

我们知道,为了实现不同子网之间的设备通信,需要配置路由。目前常用的指定路由方法有两种:第一种是通过路由协议 :RIP、OSPF动态学习,第二种是通过静态路由: 对终端PC机配置静态路由。

作者:zyuqiang来源:51CTO博客|2019-05-20 14:33

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一、为什么要使用VRRP技术?

我们知道,为了实现不同子网之间的设备通信,需要配置路由。目前常用的指定路由方法有两种:

  • ***种是通过路由协议 :RIP、OSPF动态学习
  • 第二种是通过静态路由: 对终端PC机配置静态路由。

这两种路由各有各的优缺点:

***种路由可以自动寻找***路径,邻居路由也可以通过学习来获得路由表,但是动态路由占用线路带宽和CPU处理时间。

第二种路由是不需要CPU处理时间同样也不占用线路带宽,但是这个路由需要对终端的PC机进行配置网关来实现,工作量是比较大的。

对于以上的两种路由在现在来说都是广泛应用的。

我们现在只来分析静态路由的缺点,因为VRRP技术就是使用在静态路由上,而不是动态路由上。

对于静态路由来说,对终端PC机配置默认网关。如果作为默认网关的路由器出现故障,所有使用该网关为下一跳的主机的通信是要中断的。如下图所示; 

虚拟路由器冗余协议VRRP原理详解!

在上图中,主机A—D都配置了一个默认的网关:10.1.1.1,网关路由的下一跳指向主机所在网段内的一个路由器RouterA,RouterA将报文发送到外网,但是如果现在RouterA坏掉了,那么所有的主机将无法与其他网段进行通信了。

为了解决以上的问题,我们可以加一个路由器RouterB,如下图所示:

虚拟路由器冗余协议VRRP原理详解!

当RouterA坏掉时,所有的PC机将网关切换到RouterB上的网关。这样就实现了路由器的备份。这个技术就是VRRP技术---虚拟路由器冗余协议

二、VRRP简介(转发机制)

1. VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol,虚拟路由器冗余协议)将可以承担网关功能的路由器加入到备份组中,形成一台虚拟路由器,由VRRP的选举机制决定哪台路由器承担转发任务,局域网内的主机只需将虚拟路由器配置为缺省网关

2. VRRP是一种容错协议,在提高可靠性的同时,简化了主机的配置。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。

3. VRRP协议的实现有VRRPv2和VRRPv3两个版本,VRRPv2于IPv4,VRRPv3基于IPv6。

4. VRRP路由器: 所有运行VRRP协议的路由器就叫做VRRP路由器。

5. VRRP备份组:多台路由器被分到一个组中,在这个组中选举出一台主路由器,其他作为备份路由器。平常时候都是主路由器一个工作,备份路由器空闲,当主路由器故障后,从多台备份路由器中选举出一台替代故障的主路由器工作。这一组中的路由器构成了一个备份组。

如下图所示: 有两个路由器,两个网关,从两个路由器中选举出一个路由器作为主路由器,其他的都是备份路由器,主路由器负责发转发数据报,而备份路由器处于空闲状态,当主路由器出现故障后,备份路由器会成为主路由器,代替主路由器实现转发功能。

虚拟路由器冗余协议VRRP原理详解!

6. 虚拟路由器:虚拟路由器是VRRP备份组中所有路由器的集合,它是一个逻辑概念,并不是正真存在的。

从备份组外面看备份组中的路由器,感觉组中的所有路由器就像一个 一样,你可以理解为 在一个组中:主路由器+所有备份路由器=虚拟路由器。

虚拟路由器有一个虚拟的IP地址和MAC地址。如果虚拟IP和备份组中的某台路由器的IP相同的话,那么这台路由器称为IP地址拥有者,并且作为备份组中的主路由器。

如下图所示:RA、RB和RC都是VRRP路由器,他们构成了一个VRRP备份组,RA为主路由器,RB和RC为备份路由器,这三台路由器从外界来看就像一台一样,这样构成一个虚拟路由器Router Group,虚拟路由器有一个虚拟的IP地址为10.1.1.1(RA主路由器的IP)。RA是IP地址拥有者,也是主路由器。

虚拟路由器冗余协议VRRP原理详解!

7. 虚拟IP地址和MAC地址:VRRP组(备份组)中的虚拟路由器对外表现为唯一的虚拟MAC地址,地址格式为00-00-5E-00-01-【VRID】,VRID为VRRP组的编号,范围是0~255.

上图中,三台路由器在一个组中,这个组可以起一个0~255之间的编号。

注意:

1).虚拟路由器具有IP地址。局域网内的主机仅需要知道这个虚拟路由器的IP地址, 并将其设置为缺省路由的下一跳地址

2). 虚拟路由器的 IP 地址可以是备份组所在网段中未被分配的IP 地址,也可以和备份组内的某个路由器的接口IP 地址相同 3.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” 在同一个 VRRP 备份组中,只允许配置一个IP 地址拥有者

三、VRRP状态

VRRP路由器在运行过程中有三种状态:

1. Initialize状态:系统启动后就进入Initialize,此状态下路由器不对VRRP报文做任何处理,可以理解为初始化。

2. Master状态:路由器会发送VRRP通告,发送免费ARP报文。

3. Backup状态:接受VRRP通告。

一般主路由器处于Master状态,备份路由器处于Backup状态。

四、VRRP选举机制

VRRP使用选举机制来确定路由器的状态,运行VRRP的一组路由器对外构成了一个虚拟路由器,其中一台路由器处于Master状态,其他处于Backup状态。

所以主路由器又叫做Master路由器,备份路由器又叫做Backup路由器。

优先级选举:

1.VRRP组中IP拥有者。如果虚拟IP地址与VRRP组中的某台VRRP路由器IP地址相同,则此路由器为IP地址拥有者,这台路由器将被定位主路由器。

2.比较优先级。如果没有IP地址拥有者,则比较路由器的优先级,优先级的范围是0~255,大的作为主路由器

3.比较IP地址。在没有Ip地址拥有者和优先级相同的情况下,IP地址大的作为主路由器。

如下图所示: 虚拟IP为10.1.1.254,在VRRP组中没有IP地址拥有者,则比较优先级,很明显RB和RA的优先级要大于RC,则比较RA和RB的IP地址,RB的IP地址大。所以RB为组中的主路由器。

虚拟路由器冗余协议VRRP原理详解!

五、VRRP定时器

① VRRP通告报文时间间隔定时器

1)VRRP备份组中的Master路由器会定时发送VRRP通告报文,通知备份组内的路由器自己工作正常。

2)用户可以通过设置VRRP定时器来调整Master路由器发送VRRP 通告报文的时间间隔。

3)如果Backup路由器在等待了3个间隔时间后,依然没有收到VRRP 通告报文,则认为自己是Master路由器,并对外发送VRRP通告报文,重新进行Master路由器的选举。

② VRRP抢占延迟时间定时器

1) 为了避免备份组内的成员频繁进行主备状态转换,让Backup路由器有足够的时间搜集必要的信息(如路由信息),Backup 路由器接收到优先级低于本地优 先级的通告报文后,不会立即抢占成为Master

2)而是等待一定时间——抢占延迟时间后,才会对外发送VRRP通告报文取代原 来的Master路由器。

六、VRRP报文格式

VRRP只使用VRRP通告报文。

VRRP通告报文使用Ip组播数据包进行封装,组播地址为223.0.0.18,IANA给其分配的协议号为112。

VRRP通告报文的TTL值必须是255,如果VRRP路由器接受到TTL值不为255的VRRP通告报文,必须丢弃。

VRRP组中的主路由器会定期发送通告报文,备份路由器接受,他们通过这种方式来交流选举。

七、VRRP工作过程总结:

1. 路由器使能VRRP 功能后,会根据优先级确定自己在备份组中的角色。优先级高的路由器成为Master 路由器,优先级低的成为Backup 路由器。Master 路由器定期发送VRRP

通告报文,通知备份组内的其他设备自己工作正常;Backup 路由器则启动定时器等待通告报文的到来。

2. 在抢占方式下,当Backup 路由器收到VRRP 通告报文后,会将自己的优先级与通告报 文中的优先级进行比较。如果大于通告报文中的优先级,则成为Master 路由器;否则将保持Backup状态

3. 在非抢占方式下,只要Master 路由器没有出现故障,备份组中的路由器始终保持Master 或Backup 状态,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

4. 如果Backup 路由器的定时器超时后仍未收到Master 路由器发送来的VRRP 通告报文,则认为Master 路由器已经无法正常工作,此时Backup 路由器会认为自己是Master 路由器,并对外发送VRRP 通告报文。备份组内的路由器根据优先级选举出Master 路由 器,承担报文的转发功能。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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