VRRP技术白皮书
摘要
本文介绍了VRRP的产生背景和实现方式，并结合华为技术有限公司的VRP平台列举了实现VRRP功能的典型组网方式及配置。
关键词
VRRP、Master、Backup、IP 地址拥有者（IP Address Owner）
1概述
1.1 VRRP产生背景
随着Internet的发展，人们对网络可靠性的要求越来越高。特别是对于终端用户来说，能够时时与网络其他部分保持通信是非常重要的。虚拟路由器冗余协议（VRRP）提供一种解决方案，能够保证终端用户与网络的联系可靠、稳定、不中断。
一般来说，主机通过设置默认网关来与外部网络联系，因为这样配置非常简单。如图1：
图1 常用网关配置图
网络上的主机设置了一条缺省路由（10.100.10.1），该路由的下一跳指向主机所在网段内的一个路由器RouterA，由RouterA将报文转发出去。这样，主机发出的目的地址不在本网段的报文将被通过缺省路由发往RouterA，从而实现了主机与外部网络的通信。然而，万一RouterA出现故障，主机将与外界失去联系，陷入孤立的境地。遗憾的是，仅仅在网络上多加一台路由器并不能解决问题。大多数主机只允许配置一个默认网关；同时，不管网络上存在多少个路由器，对于目标是其他网络的报文，主机只能使用已经配置好的那个默认网关。有一种解决方案是运行动态路由协议，如RIP、OSPF，或者是ICMP路由发现协议等。但是，要想在每一台主机上都运行动态路由协议几乎是不可能的，这涉及到管理问题、安全问题、平台对协议的支持问题等等。
VRRP的出现使解决这个问题变得简单，它不改变组网情况，不需要在主机上做任何配置，只需要在相关路由器上配置极少的几条命令，就能实现下一跳网关的备份，不会给主机带来任何负担。和其他方法比较起来，VRRP简单方便。
1.2 VRRP协议简述
简单来说，VRRP是一种容错协议，它保证当主机的下一跳路由器坏掉时，可以及时的由另一台路由器来代替，从而保持通讯的连续性和可靠性。为了使VRRP工作，要在路由器上配置虚拟路由器号和虚拟IP地址，同时产生一个虚拟MAC地址，这样在这个网络中就加入了一个虚拟路由器。而网络上的主机与虚拟路由器通信，无需了解这个网络上物理路由器的任何信息。一个虚拟路由器由一个主路由器和若干个备份路由器组成，主路由器实现真正的转发功能。当主路由器出现故障时，一个备份路由器将成为新的主路由器，接替它的工作。
VRRP中只定义了一种报文——VRRP报文，这是一种多播报文，由主路由器定时发出来通告它的存在，使用这些报文可以检测虚拟路由器各种参数，还可以用于主路由器的选举。
VRRP中定义了三种状态模型：初始状态（Initialize）、活动状态（Master）、备份状态（Backup）。其中，只有活动状态可以为到虚拟IP地址的转发请求服务。
RFC2338中规定的VRRP协议是在Cisco的私有协议HSRP协议的基础上制定出来的。但是VRRP简化了HSRP提出的机制，尽量减少了由提供冗余功能给网络带来的额外负载，例如HSRP规定虚拟路由器有六种状态，而在VRRP中只有三种；HSRP中有两种状态可以发送报文，且报文类型有三种，而VRRP中只有Master状态的路由器可以发送报文，而且报文也只有一种。HSRP报文是封装在UDP报文上的，而VRRP报文是封装在IP报文上的，支持各种上层协议。同时VRRP还支持将真实接口IP地址设置为虚拟IP地址的做法。
VRRP协议仅仅适用于IPv4版本的路由器。对于IPv6版本的路由器将会有新的规范来规定相关内容。
2实现方式
2.1 VRRP的工作原理
结合图2可以了解VRRP的工作原理：
图2 VRRP工作原理图
VRRP将局域网的一组路由器（RouterA和RouterB）组织成一个虚拟的路由器。这个虚拟的路由器拥有自己的IP地址10.100.10.1(这个IP地址可以和某个路由器的接口地址相同)。当然，物理路由器RouterA、RouterB也有自己的IP地址（RouterA的IP地址为10.100.10.2, RouterB的IP地址为10.100.10.3）。局域网内的主机仅仅知道这个虚拟路由器的IP地址
10.100.10.1，而并不知道具体的RouterA的IP地址以及RouterB的IP地址，他们将自己的缺省路由设置为该虚拟路由器的IP地址10.100.10.1。于是，网络内的主机就通过这个虚拟的路由器来与其他网络进行通信。而对于这个虚拟路由器则需要进行如下工作：
1）根据优先级的大小挑选主路由器，优先级最大的为主路由器，状态为Master，若优先级相同，则比较接口的主IP地址，主IP地址大的就成为主路由器，由它提供实际的路由服务。2）其它路由器作为备份路由器，随时监测主路由器的状态。当主路由器正常工作时，它会每隔一段时间发送一个VRRP多播报文，以通知组内的备份路由器，主路由器处于正常工作状态。如果组内的备份路由器长时间没有接收到来自主路由器的报文，则将自己状态转为Master。当组内有多台备份路由器时，将有可能产生多个主路由器。这时每一个主路由器就会比较VRRP报文中的优先级和自己本地的优先级，如果本地的优先级小于VRRP中的优先级，则将自己的状态转为Backup，否则保持自己的状态不变。通过这样一个过程，就会将优先级最大的路由器选成新的主路由器，完成VRRP的备份功能。
从上述分析可以看到，对于网络中的主机来说，它并没有做任何额外的工作，但是它对外的通信再也不会因为一台路由器坏掉而受到影响了。
2.2 虚拟路由器的状态模型
组成虚拟路由器的路由器会有三种状态，分别是Initialize、Master和Backup，下面对这三种状态进行说明：
1） Initialize
系统启动后进入此状态，当收到接口startup的消息，将转入Backup（优先级不为255时）或Master状态（优先级为255时）。在此状态时，路由器不会对VRRP报文做任何处理。
2）Master
当路由器处于Master状态时，它将会做下列工作。
? 定期发送VRRP多播报文；
? 发送免费（gratuitous）ARP报文，以使网络内各主机知道虚拟IP地址所对应的虚拟MAC地址；
? 响应对虚拟IP地址的ARP请求，并且响应的是虚拟MAC地址，而不是接口的真实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（IP Address Owner），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；
在Master状态中只有接收到比自己的优先级大的VRRP报文时，才会转为Backup，只有当接收到接口的Shutdown事件时才会转为Initialize。
.13） Backup
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多播报文，从中了解Master的状态
? 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。
只有当Backup接收到MASTER_DOWN这个定时器到时的事件时，才会转为Master，而当接收到比自己的优先级小的VRRP报文时，它只是做丢弃这个报文的
处理，从而就不对定时器做重置处理，这样定时器就会在若干次这样的处理之后到时，于是就转为Master。只有当接收到接口的Shutdown事件时才会转为Initialize。
三种状态的转换如下图：
图3 VRRP状态模型转换图
2.3 VRRP的功能特点
VRRP具有以下特点：
1）IP地址的备份（IP Address Backup）
一个虚拟IP地址被多台路由器共用，这是VRRP的首要功能，该功能能将网络黑洞的持续时间最小化，还可以实现负载分担。
2）首选路径确定（Preferred Path Indication）
VRRP用一个简单方法，从各成员中选举主路由器，这就是设立优先级和抢占方式。备份组中优先级最高的路由器将成为主路由器，当优先级相同时，将会比较接口的主IP地址。优先级的取值范围为0到255 （数值越大表明优先级越高）。用户可以通过设定优先级和抢占方式来指定某一路由器成为Master。
3）使不必要的中断最小化（Minimizaton of Unnecessary Service Disruptions）当主路由器选好后，除了主路由器定时发送的VRRP广播报文外，主路由器和备份路由器之间没有多余的通信。任何优先级低或相等的备份路由器不能发起状态转换，这样主路由器可以持续稳定地工作。
4）安全性可扩展（Extensible Security）
对于安全程度不同的网络环境，可以在报头上设定不同的认证方式和认证字。任何没有通过认证的报文将做丢弃处理。 VRRP定义了三种认证方式：无认证（no authentication）、简单字符认证（simple clear text passwords）和 MD5认证（MD5）。在一个安全的网络中，可以将认证方式设置为NO，路由器对要发送的VRRP报文不进行任何认证处理，而收到VRRP 报文的路由器也不进行任何认证就认为是一个真实合法的VRRP报文，这种情况下，不需要设置认证字。在一个有可能受到安全威胁的网络中，可以将认证方式设置为SIMPLE，则发送VRRP报文的路由器就会将认证字填入到VRRP报文中，而收到VRRP报文的路由器会将收到的VRRP报文中的认证字和本地配置的认证字进行比较，相同则认为是真实的，合法的VRRP报文，否则认为是一个非法的报文，将会丢弃。在一个非常不安全的网络中，可以将认证方式设置为MD5，这样，路由器就会利用Authentication Header提供的认证方式和MD5算法来对VRRP报文进行认证。
5）所有协议消息用IP多播数据报发送，因此该协议可以在不同的LAN上使用。
3组网应用
华为技术有限公司的通用数据通信平台VRP（Versatile Routing Platform）全面支持VRRP 技术。在VRP中，允许一台路由器为多个虚拟路由器作备份。通过多虚拟路由器设置可以实现负荷分担。如RouterA作为虚拟路由器1的主路由器，同时又兼职虚拟路由器2的备份路由器，而RouterB正相反，作为虚拟路由器2的主路由器，并兼职虚拟路由器1的备份路由器。
一部分主机使用虚拟路由器1作网关，另一部分主机使用虚拟路由器2作为网关。这样，以达到分担数据流，而又相互备份的目的。组网图如下：
图4 VRRP组网图
VRP上的配置步骤如下：
配置RouterA：
RouterA（config-if-Ethernet0）#vrrp ip 1 202.38.160.111
RouterA（config-if-Ethernet0）#vrrp priority 1 120
RouterA（config-if-Ethernet0）#vrrp ip 2 202.38.160.112
配置RouterB：
RouterB（config-if-Ethernet0）#vrrp ip 1 202.38.160.111
RouterB（config-if-Ethernet0）#vrrp ip 2 202.38.160.112
RouterB（config-if-Ethernet0）#vrrp priority 2 120
4结论
运行VRRP的优点相当明显，网络上单个路由器的故障将不再影响网络内主机与外部的通信，同时把终端主机上的处理负担放在网关上，不需要在主机上增加相应的支持和配置，节约了大量的时间。VRRP组网方便，配置简单，这使得它成为建设一个稳定网络所需的有力工具。
技术词汇的英文注释
主路由器master
备份路由器backup
虚拟路由器virtual router