VRRP的原理和应用

随着Internet的发展, 人们对网络的可靠性的要求越来越高。对于局域网用户来说, 能够时刻与外部网络保持联系是非常重要的。通常情况下, 内部网络中的所有主机都设置一条相同的缺省路由, 指向出口网关, 实现主机与外部网络的通信。当出口网关发生故障时, 主机与外部网络的通信就会中断。配置多个出口网关是提高系统可靠性的常见方法, 但局域网内的主机设备通常不支持动态路由协议, 如何在多个出口网关之间进行选路是个问题。

1. 技术介绍

1.1 基本概念

虚拟交换机 (Virtual Router) :由VRRP管理的抽象设备, 又称为VRRP备份组, 被当做一个共享局域网内主机的缺省设备。它包括了一个虚拟交换机标识符和一组虚拟IP地址。

虚拟IP地址 (Virtual IP Address) :虚拟交换机的IP地址, 一个虚拟交换机可以有一个或多个IP地址, 由用户配置。

IP地址拥有者 (IP Address Owner) :如果一个VRRP交换机将虚拟交换机的IP地址作为真实的接口地址, 则该设备是IP地址拥有者。当这台设备正常工作时, 它会响应目的地址是虚拟IP地址的报文, 如ping、TCP连接等。

虚拟MAC地址:是虚拟交换机根据虚拟交换机ID生成的MAC地址。一个虚拟交换机拥有一个虚拟MAC地址, 格式为:00-00-5E-00-01-{VRID}。当虚拟交换机回应目的IP是虚IP的ARP请求时, 使用虚拟MAC地址, 而不是接口的真实MAC地址。

主IP地址 (Primary IP Address) :从接口的真实IP地址中选出来的一个主用IP地址, 通常选择配置的第一个IP地址。VRRP广播报文使用主IP地址作为IP报文的源地址。

Master交换机 (Virtual Router Master) :是承担转发报文或者应答ARP请求的VRRP交换机, 转发报文都是发送到虚拟IP地址的。如果IP地址拥有者是可用的, 通常它将成为Master。

Backup交换机 (Virtual Router Backup) :一组没有承担转发任务的VRRP交换机, 当Master设备出现故障时, 它们将通过竞选成为新的Master。

抢占模式:在抢占模式下, 如果Backup器的优先级比当前Master的优先级高, 将主动将自己升级成Master。

1.2 VRRP的工作原理

VRRP将局域网的一组交换机构成一个备份组, 相当于一台虚拟交换机。局域网内的主机只需要知道这个虚拟交换机的IP地址, 并不需知道具体某台设备的IP地址, 将网络内主机的缺省网关设置为该虚拟交换机的IP地址, 主机就可以利用该虚拟网关与外部网络进行通信。VRRP将该虚拟交换机动态关联到承担传输业务的物理交换机上, 当该物理交换机出现故障时, 再次选择新交换机来接替业务传输工作, 整个过程对用户完全透明, 实现了内部网络和外部网络不间断通信。

1.3 VRRP的功能

对作为提供可靠性的容错协议, VRRP提供如下功能:交换机备份;负载分担;首选路径确定。

VRRP具有如下特点:网络开销小;状态转换次数最小化;可扩展的安全性。

2. VRRP的实现

2.1 主备备份

这是VRRP提供IP地址备份功能的基本方式。主备备份方式需要建立一个虚拟路由器, 该虚拟路由器包括一个Master和若干Backup设备。正常情况下, 业务全部由Master承担。

2.2 负载分担

在交换机中, 允许一台交换机为多台交换机作备份。通过多台虚拟交换机设置可以实现负载分担。负载分担方式是指多台交换机同时承担业务, 因此需要建立两个或更多的备份组。负载分担方式具有以下特点。

每个备份组都包括一个Master设备和若干Backup设备。

各备份组的Master可以不同。

2.3 监视接口状态

VRRP可以监视所有接口的状态。当被监视的接口Down或Up时, 该交换机的优先级会自动降低或升高一定的数值, 使得备份组中各设备优先级高低顺序发生变化, VRRP路由器重新进行Master竞选。

2.4 VRRP快速切换

S9300实现双向转发检测BFD (Bidirectional Forwarding Detection) 机制, 能够快速检测、监控网络中链路或者IP路由的连通状况, VRRP通过监视BFD会话状态实现主备快速切换, 主备切换的时间控制在1秒以内。

对于以下情况, BFD都能够将检测到的故障通知接口板, 从而加快VRRP主备倒换的速度。

备份组包含的接口出现故障。

Master和Backup不直接相连。

Master和Backup直接相连, 但在中间链路上存在传输设备。

BFD对Backup和Master之间的实际地址通信情况进行检测, 如果通信不正常, Backup就认为Master已经不可用, 升级成Master。在以下两种情况下Backup转换为Master:

当两台交换机之间的背靠背连接全部断开时, Backup主动升级成Master, 承载上行流量;

当Master重新启动、或Master与交换机之间的链路断开、或与Master相连的交换机重新启动时, Backup主动升级成Master, 承载上行流量。

VRRP快速切换的环境要求:

在Backup上, BFD Session检测的接口必须和Master设备相连;

在Master不可用时, Backup的优先级增加并大于原来Master的优先级, 促使自己快速切换为Master。

摘要：VRRP是一种容错协议, 它通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备, 并通过一定的机制来保证当主机的下一跳设备出现故障时, 可以及时将业务切换到其他设备, 从而保持通讯的连续性和可靠性。本文档主要介绍了一下VRRP技术的基本实现方式、特点以及RPR特性的一些基本应用。

关键词：VRRP,虚拟交换机,虚拟IP地址