网络基础（十一）：VRRP原理与配置

码农世界 2024-06-19 后端 91 次浏览 0个评论

前言：

1、VRRP的基本概述

2、VRRP的基本原理

2.1VRRP的基本结构

2.2设备类型

2.3状态机

2.4VRRP路由器的抢占功能

2.5VRRP路由器的优先级

2.6VRRP工作原理

2.7主备路由器的工作内容

3、VRRP的基本配置

3.1配置主路由器和备用路由器

3.2配置PC1与PC2通信

前言：

终端设备访问不同网段设备的时候，必须经过网关。如果只有1个网关，那么网络就存在单点故障，所以为了避免单点故障导致网络的通信中断，所以，我们建议在一个网段中，可以同时添加多个网关，从而增加网关的冗余性和网络的可靠性；但是，多网关的部署会带来其他的问题：

一是网关IP地址冲突，二是终端用户需要频繁的切换网关IP地址。

针对上述两个问题，我们提出：在同网段的多个网关之间运行VRRP，形成1个虚拟网关，终端用户都配置和使用虚拟网关就可以了

1、VRRP的基本概述

VRRP能够在不改变组网的情况下，将多台路由器虚拟成一个虚拟路由器，通过配置虚拟路由器的IP地址为默认网关，实现网关的备份
协议版本:VRRPv2 (常用)和VRRPv3：VRRPv2仅适用于IPv4网络，VRRPv3适用于IPv4和IPv6两种网络
VRRP协议报文：心跳线（Master状态的路由器能正常工作）
只有一种报文：Advertisement报文，其目的IP地址是224.0.0.18，目的MAC地址是01-00-5e-00-00-12，协议号是112
2、VRRP的基本原理

2.1VRRP的基本结构

注：VRRP主备路由器切换的情况
- 如果Master发生故障，则主备切换：Backup在Master_Down_Interval时间内未收到Master发送的状态通告报文，则立即成为Master
- 如果原Master故障恢复，则主备回切：发现收到RouterB的VRRP报文中的优先级比自己低，RouterA立即抢占成为Master
  2.2设备类型
  
  ①主（master）路由器：
  
  通过比较VRRP优先级，优先级大的是master路由器；周期性的发送VRRP报文，维护master路由器和备份路由器的身份；周期时间默认是1s；备份网关，通过比较 VRRP 优先级，优先级小的是备份路由器
  
  ②备份（backup）路由器：
  
  通过不断的接收master路由器发送的 VRRP 报文来判断master路由器的状态；如果在一定的时间内，收不到 VRRP 报文，则认为master路由器出现故障，自己升级为master路由器；这个“一定的时间”，默认是“master路由器发送VRRP的周期”的3倍，所以默认是 3s
  
  ③虚拟网关：
  
  通过VRRP虚拟出来的网关IP地址，这个网关IP地址，是配置在终端设备上的；终端设备访问其他网段时，直接将数据发送给虚拟网关IP地址，此时只有master路由器会回应针对虚拟网关IP地址的ARP请求，所以最终终端设备发送的数据发送到了master路由器设备上
  
  ④VRID：
  
  相同在同一个组中只有在同一个组中才会共享虚拟ip 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VRRP报文格式VRRP只使用到advertisement这一种报文，VRRP使用ip报文作为传输协议报文，协议号为112，使用固定的组播地址224.0.0.18进行发送
  
  ⑤VRRP状态机：
  
  VRRP协议中定义了三种状态机：初始状态（Initialize）、活动状态（Master）、备份状态（Backup）。其中，只有处于活动状态的设备才可以转发那些发那些发送到虚拟IP地址的报文
  
  ⑥Initialize：
  
  设备启动时进入此状态，当收到接口Startup的消息，将转入Backup或Master状态（IP地址拥有者的接口优先级为255，直接转为Master)。在此状态时，不会对VRRP报文做任何处理
  
  2.3状态机
  
  优先级：
  - 默认0 - 255
  - 0代表主路由器主动退出
  - 255代表有设备和虚拟ip冲突
  - 可手动配置1-254
  - 优先级相同再比较接口IP地址大小，IP地址大的优先
  - 优先级默认为100，缺省值是100
    2.4VRRP路由器的抢占功能
    
    VRRP设备的工作方式有如下两种：
    - 抢占模式：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
      2.5VRRP路由器的优先级
      
      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，等待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。
      
      ① 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
      
      ② 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
      
      ③ 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
      
      ④ 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
      
      2.6VRRP工作原理
      
      ①虚拟路由器中的路由器根据优先级选举出Master。Master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
      
      ②Master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
      
      ⑤Backup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
      
      2.7主备路由器的工作内容
      
      当路由器处于Master状态时，它将会做下列工作：
      - 定期发送VRRP报文
      - 以虚拟MAC地址响应对虚拟IP地址的ARP请求。虚拟路由器封装的时候都封装虚拟路由器的 mac地址
      - 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则转为Backup状态
      - 如果收到优先级和自己相同的报文，并且发送端的主机IP地址比自己的主IP地址大，则转为Backup状态
      - 当接收到接口的Shutdown事件时，转为Initialize
        
        当路由器处于Backup状态时，它将会做下列工作：
        
        接收Master发送的VRRP报文，判断Master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MAC地址为虚拟MAC地址的IP报文
        
        丢弃目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文
        
        Backup状态下如果收到比自己优先级小的报文时，丢弃报文，不重置定时器；如果收到优先级和自己相同的报文，则重置定时器，不进一步比较IP地址
        
        当Backup接收到MASTER_DOWN_TIMER定时器超时的事件时，才会转为Master
        
        当接收到接口的Shutdown事件时，转为Initialize
        
        3、VRRP的基本配置
        
        3.1配置主路由器和备用路由器
        
        3.1.1新建拓扑，添加一个二层交换机、三个路由器、两个PC机，再连接它们对应的接口，最后开启这些设备
        
        3.1.2设置PC1、PC2不同网络区域的IP地址和网关以及子网掩码
        
        3.1.3配置路由器AR1与路由器AR2两个接口的IP地址与子网掩码
        
        3.1.4配置AR1为主路由器、AR2为备用路由器
        
        先配置主路由器AR1的虚拟网关，然后设置其优先级为120，再设置延迟抢占5s，最后设置监听主路由器AR1的上行端口g2
        
        配置AR2的虚拟网关，默认其优先级为100，低于AR1的优先级120，成为备用路由器
        
        3.1.5PC1能够ping通虚拟网关，才能证明上述步骤正确
        
        在主路由器AR1上，输入“display vrrp”，查看前面我们配置的相应信息
        
        在主路由器AR2上，输入“display vrrp”，查看前面我们配置的相应信息
        
        3.1.6删除路由器AR1端口g1的线，查看主备路由器AR1和AR2是否发生变化
        
        PC1依旧能ping通虚拟网关
        
        当主路由器AR1线路故障后，变为初始化状态
        
        当主路由器AR1线路故障后，备用路由器AR2启用成为主路由器
        
        3.1.7删除路由器AR1端口g2的线，主备路由器AR1的上行端口g2故障，即查看主路由器的优先级是否减30，是否被关闭
        
        3.2配置PC1与PC2通信
        
        3.2.1设置路由器AR3各个端口的IP地址和子网掩码
        
        3.2.2配置AR1、AR2、AR3的静态路由
        
        配置静态路由的通用格式：ip route-static 目的网段子网掩码下一跳地址
        
        配置AR3的两条静态路由，第二条作为备用
        
        3.2.3检测PC1与PC2能否ping通，能则说明配置成功