VRRP协议简介VRRP工作原理

蜗牛vps教程2022-08-111130

VRRP协议是什么

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它设备，从而保持通讯的连续性和可靠性。

VRRP将局域网内的一组路由器划分在一起，称为一个备份组。备份组由一个Master路由器和多个Backup路由器组成，功能上相当于一台虚拟路由器。局域网内的主机只需要知道这个虚拟路由器的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路由器的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将该虚拟路由器动态关联到承担传输业务的物理路由器上，当该物理路由器出现故障时，再次选择新路由器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。

VRRP协议简介VRRP工作原理第1张

VRRP基本概念

概念	解释
VRRP路由器(VRRP Router)	运行VRRP的设备，它可能属于一个或多个虚拟路由器。
虚拟路由器(Virtual Router)	由VRRP管理的抽象设备，又称为VRRP备份组，被当作一个共享局域网内主机的缺省网关。它包括了一个虚拟路由器标识符和一组虚拟IP地址。
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。
IP地址拥有者(IP Address Owner)	如果一个VRRP路由器将虚拟路由器的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}。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。
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路由器(Virtual Router Master)	是承担转发报文或者应答ARP请求的VRRP路由器，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路由器（Virtual Router Backup）	一组没有承担转发任务的VRRP路由器，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的优先级比当前Master的优先级高，将主动将自己升级成Master。

VRRP报文

VRRP控制报文只有一种：VRRP通告(advertisement)。它使用IP多播数据包进行封装，组地址为224.0.0.18，发布范围只限于同一局域网内。这保证了VRID在不同网络中可以重复使用。

因为这份笔记的主要目的是理解keepalived的原理，所以只介绍部分相关字段。

Virtual Rtr ID（VRID）：虚拟路由器ID，取值范围是1～255。

Priority：发送报文的VRRP路由器在虚拟路由器中的优先级。取值范围是0～255，其中可用的范围是1～254。0表示设备停止参与VRRP，用来使备份路由器尽快成为主路由器，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：VRRP广播中包含的虚拟IP地址个数。

IP Address(es)：虚拟路由器IP地址，地址个数是Count IP Addrs的值。

Master路由的选举

备份组中路由器的优先级：

VRRP根据优先级来确定备份组中每台路由器的角色（Master路由器或Backup路由器）。优先级越高，则越有可能成为Master路由器。
当两台优先级相同的路由器同时竞争Master时，比较接口IP地址大小。接口地址大者当选为Master。

VRRP优先级的取值范围为0到255（数值越大表明优先级越高），可配置的范围是1到254，优先级0为系统保留给路由器主动放弃Master位置时候使用，255则是系统保留给IP地址拥有者使用。若VRRP路由器的IP地址和虚拟路由器的接口IP地址相同，则该VRRP路由器被称为该IP地址的所有者；IP地址所有者自动具有最高优先级：255。因此，当备份组内存在IP地址拥有者时，只要其工作正常，则为Master路由器。

备份组中路由器的工作方式：

非抢占方式：如果备份组中的路由器工作在非抢占方式下，则只要Master路由器没有出现故障，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。
抢占方式：如果备份组中的路由器工作在抢占方式下，它一旦发现自己的优先级比当前的Master路由器的优先级高，就会对外发送VRRP通告报文。导致备份组内路由器重新选举Master路由器，并最终取代原有的Master路由器。相应地，原来的Master路由器将会变成Backup路由器。Backup路由器接收到VRRP通告报文后，只会将自己的优先级与通告报文中的优先级进行比较，不会比较IP地址，只有自己的优先级大于通告报文中的优先级时，才会抢占成为Master。

初始创建的路由器工作在Backup状态，通过VRRP报文的交互获知虚拟路由器中其他成员的优先级：

如果VRRP报文中Master路由器的优先级高于自己的优先级，则路由器保持在Backup状态；
如果VRRP报文中Master路由器的优先级低于自己的优先级，采用抢占工作方式的路由器将抢占成为Master状态，周期性地发送VRRP报文，采用非抢占工作方式的路由器仍保持Backup状态；
如果在一定时间内没有收到VRRP报文，则路由器切换为Master状态。

由于路由器上备份组的配置不一致、网络故障等原因造成备份组中存在多个Master路由器时，这些Master路由器会根据优先级和IP地址选举出一个Master：优先级高的路由器成为Master；优先级低的成为Backup；如果优先级相同，则IP地址大的成为Master。

VRRP定时器

VRRP定时器分为两种：VRRP通告报文间隔时间定时器和VRRP抢占延迟时间定时器。

1）VRRP通告报文时间间隔定时器

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。

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。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

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，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。

Master路由器状态的通告

Master路由器周期性地发送VRRP报文，在虚拟路由器中公布其配置信息（优先级等）和工作状况。Backup路由器通过接收到VRRP报文的情况来判断Master路由器是否工作正常。

Master路由器主动放弃Master地位（如Master路由器退出虚拟路由器）时，会发送优先级为0的VRRP报文，致使Backup路由器快速切换变成Master路由器。这个切换的时间称为Skew time，计算方式为：（256－Backup路由器的优先级）/256，单位为秒。

当Master路由器发生网络故障而不能发送VRRP报文的时候，Backup路由器并不能立即知道其工作状况。Backup路由器等待一段时间之后，如果还没有接收到VRRP报文，那么会认为Master路由器无法正常工作，而把自己升级为Master路由器，周期性发送VRRP报文。如果此时多个Backup路由器竞争Master路由器的位置，将通过优先级来选举Master路由器。Backup路由器默认等待的时间称为Master_Down_Interval，取值为：（3×VRRP报文的发送时间间隔）＋Skew time，单位为秒。

在性能不够稳定的网络中，Backup路由器可能因为网络堵塞而在Master_Down_Interval期间没有收到Master路由器的报文，而主动抢占为Master位置，如果此时原Master路由器的报文又到达了，就会出现虚拟路由器的成员频繁的进行Master抢占现象。为了缓解这种现象的发生，特制定了延迟等待定时器。它可以使得Backup路由器在等待了Master_Down_Interval后，再等待延迟等待时间。如在此期间仍然没有收到VRRP报文，则此Backup路由器才会切换为Master路由器，对外发送VRRP报文。

如果Backup路由器监视Master路由器采用的是具有快速检测功能的BFD技术。在Backup设备上使用该技术监视Master路由器的状态，一旦Master路由器发生故障，Backup就可以自动切换成为新的Master路由器，将切换时间缩短到毫秒级。

VRRP工作原理

参与虚拟路由器的每一台VRRP路由器，都只有3种VRRP状态：初始状态(Initialize)、主控状态(Master)、备份状态(Backup)。

VRRP的工作过程为：

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路由器自己工作正常；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。

VRRP协议状态机-初始状态（Initialize）

如果本地优先级为255，也就是说自己是IP拥有者路由器，那么接下来它会：

1）发送VRRP通告报文

2）广播免费ARP请求报文，内部封装是虚拟MAC和虚拟IP的对应，有几个虚拟IP地址，那么就发送几个免费ARP请求报文。

3）启动一个Adver_Timer计时器，初始值为Advertisement_Interval（缺省是1秒），当该计时器超时后，会发送下一个VRRP通告报文

4）本地VRRP进程将自己切换为Master路由器

如果本地优先级不是255,，那么接下来它会：

1）设置Master_Down_Timer计时器等于Master_Down_Interval，也就是主路由器死亡时间间隔，如果此计时器超时，那么Backup路由器就会宣布主路由器死亡。其中Master_Down_Interval = （3*Advertisement_Interval）+ Skew_time举例来说，一个VRRP实例（也就是一个VRRP虚拟器）的优先级是100，报文发送间隔是1秒，那么Master_Down_Interval = 3*1s + （256-100）/256s = 3.609秒。

2）本地VRRP进程将自己切换为Backup路由器。

VRRP协议状态机-备份状态（Backup）

备份路由器是为了监控Master路由器的状态，如果一个VRRP路由器处于此状态，那么它会：

1）不响应对虚拟IP地址的ARP请求报文。

2）丢弃帧头目的MAC地址是虚拟MAC的帧。

3）丢弃IP头中目的IP地址是虚拟IP的IP包。

如果此时该VRRP路由器收到了一个shutdown事件，那么它会：

1）取消Master_Down_Timer。

2）转换为初始状态（Initialize state）。

如果Master_Down_Timer超时，那么该VRRP路由器会执行：

1）发送一个VRRP通告报文。

2）广播免费ARP请求报文，内部封装是虚拟MAC和虚拟IP的对应，有几个虚拟IP地址，那么就发送几个免费ARP请求报文。

3）设置Adver_Timer计时器为Advertisement_Interval（缺省为1秒）。

4）切换到Master状态。

如果该Backup状态的VRRP路由器收到了一个VRRP通告报文：

当该VRRP通告报文的优先级字段为0时，那么路由器会将当前的Master_Down_Timer 设置为Skew_Time。
如果优先级不为0，并且大于或等于本地优先级，那么本地路由器会重置Master_Down_Timer计时器并保持Backup状态。
如果优先级不为0，并且小于本地优先级，如果开启了抢占模式（Preempt mode），那么该Backup路由器等待指定的抢占延迟时间后将自己切换为Master路由器；并执行Master路由器的所有动作；例如：vrrp 1 preempt delay minimum 10，表示等待10秒后切换自己为Master。
如果优先级不为0，并且小于本地优先级，如果没有开启抢占模式（Preempt mode），那么本地路由器保持Backup状态。

VRRP协议状态机-主控状态（Master）

当路由器处于Master状态时，会进行下面的动作：