VRRP的产生

单网关的缺陷

当网关路由器RouterA出现故障时，本网段内以该设备为网关的主机都不能与Internet进行通信

多网关存在的问题

通过部署多网关的方式实现网关的备份。 但多网关可能会出现一些问题：网关间IP地址冲突；主机会频繁切换网络出口。

VRRP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：
  • 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。

VRRP基本结构

• VRRP基本概念：
  • VRRP路由器（VRRP Router）：运行VRRP协议的设备，如RouterA和RouterB。
  • 虚拟路由器（Virtual Router）：又称VRRP备份组，由一个Master设备和多个Backup设备组成，被当作一个共享局域网内主机的缺省网关。如RouterA和RouterB共同组成了一个虚拟路由器。
  • Master路由器（Virtual Router Master）：承担转发报文任务的VRRP设备，如RouterA。
  • Backup路由器（Virtual Router Backup）：一组没有承担转发任务的VRRP设备，当Master设备出现故障时，它们将通过竞选成为新的Master设备，如RouterB。
  • Priority：设备在备份组中的优先级，取值范围是0～255。0表示设备停止参与VRRP备份组，用来使备份设备尽快成为Master设备，而不必等到计时器超时；255则保留给IP地址拥有者，无法手工配置；设备缺省优先级值是100。
  • vrid：虚拟路由器的标识，如图中RouterA和RouterB组成的虚拟路由器的vrid为1，需手工指定，范围1-255。
  • 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。如RouterA和RouterB组成的虚拟路由器的虚拟IP地址为10.1.1.254/24。
  • IP地址拥有者（IP Address Owner）：如果一个VRRP设备将真实的接口IP地址配置为虚拟路由器IP地址，则该设备被称为IP地址拥有者。如果IP地址拥有者是可用的，则它将一直成为Master。
  • 虚拟MAC地址（Virtual MAC Address）：虚拟路由器根据vrid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。如RouterA和RouterB组成的虚拟路由器的vrid为1，因此这个VRRP备份组的MAC地址为00-00-5E-00-01-01。

状态机

• VRRP协议状态机有三种状态：Initialize（初始状态）、Master（活动状态）、Backup（备状态）。
• 三种状态之间的转换条件如下：
  • Initialize->Master：Startup priority=255；
  • Initialize->Backup：Startup priority！=255；
  • Master->Initialize：设备关闭；
  • Master->Backup：收到比自己优先级更高的数据包；
  • Backup->Initialize：设备关闭；
  • Backup->Master：在超时时间内没有收到VRRP通告报文或者收到通告报文原Master优先级为0，或者收到的通告报文中的原Master优先级比自己的优先级低。

VRRP主备备份工作过程

VRRP的工作过程

• VRRP的工作过程如下：

1. 选举出Master：
   • VRRP备份组中的设备根据优先级选举出Master。Master设备通过发送免费ARP报文，将虚拟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。
   • 选举规则：比较优先级的大小，优先级高者当选为Master设备。当两台设备优先级相同时，如果已经存在Master，则其保持Master身份，无需继续选举；如果不存在Master，则继续比较接口IP地址大小，接口IP地址较大的设备当选为Master设备。
2. Master设备状态的通告（VRRP备份组状态维持）：
   • Master设备周期性地发送VRRP通告报文，在VRRP备份组中公布其配置信息（优先级等）和工作状况。Backup设备通过接收到的VRRP报文来判断Master设备是否工作正常。 当Master设备主动放弃Master地位（如Master设备退出备份组）时，会发送优先级为0的通告报文，用来使Backup设备快速切换成Master设备，而不用等到Master_Down_Interval定时器超时。这个切换的时间称为Skew_Time，计算方式为：（256－Backup设备的优先级）/256，单位为秒。
   • 当Master设备发生网络故障而不能发送通告报文的时候，Backup设备并不能立即知道其工作状况。等到Master_Down_Interval定时器超时后，才会认为Master设备无法正常工作，从而将状态切换为Master。其中，Master_Down_Interval定时器取值为：3×Advertisement_Interval＋Skew_Time，单位为秒。

如果Master发生故障，则主备切换的过程

如果原Master故障恢复，则主备回切的过程

• 抢占模式（Preemption Mode）：
  • 控制具有更高优先级的备用路由器是否能够抢占具有较低优先级的Master路由器，使自己成为Master。缺省为抢占模式。
  • 注意：存在的例外情况是如果IP地址拥有者是可用的，则它总是处于抢占的状态，并成为Master设备。
• 抢占延时（Delay Time）：
  • 抢占延迟时间，默认为0，即立即抢占。
  • 图中RouterA故障恢复后，立即抢占可能会导致流量中断，因为RouterA的上行链路的路由协议可能未完成收敛，这种情况则需要配置Master设备的抢占延时。
  • 另外，在性能不稳定的网络中，网络堵塞可能导致Backup设备在Master_Down_Interval期间没有收到Master设备的报文，Backup设备则会主动切换为Master。如果此时原Master设备的报文又到达了，新Master设备将再次切换回Backup，如此则会出现VRRP备份组成员状态频繁切换的现象。为了缓解这种现象，可以配置抢占延时，使得Backup设备在等待了Master_Down_Interval时间后，再等待抢占延迟时间。如在此期间仍没有收到通告报文，Backup设备才会切换为Master设备。

VRRP联动功能

解决方法：利用VRRP的联动功能监视上行接口或链路故障，主动进行主备切换

VRRP负载分担工作过程

负载分担是指多个VRRP备份组同时承担业务转发，VRRP负载分担与VRRP主备备份的基本原理和报文协商过程都是相同的。对于每一个VRRP备份组，都包含一个Master设备和若干Backup设备。
与主备备份方式的不同点在于：负载分担方式需要建立多个VRRP备份组，各备份组的Master设备分担在不同设备上；单台设备可以加入多个备份组，在不同的备份组中扮演不同的角色。