双机热备份-VRRP

今天我们来聊一下VRRP (Virtual Router Redundancy
Protocol-虚拟路由冗余协议)，首先我们要知道VRRP是一种容错性协议，它是通过将多台设备虚拟化成一台设备，如果其中一台设备出现故障，那么另一台设备可以迅速接替其工作，已保证通讯的可靠性和连续性。

工作原理：

在企业网当中，PC一般是需要使用"网关"来与外部网络进行通讯，这样如果网关出现了故障那么整一个子网的对外通讯都会被切断，VRRP的出现就能把这个问题很好地解决了，VRRP可以通过把多台设备（路由器、交换机、防火墙等）虚拟化成一台设备，然后通过配置虚拟IP地址作为网关就能实现对网关的备份（这虚拟IP地址是代表整个VRRP组内的所有设备），当其中一台设备出现故障之后，VRRP组内其他设备会通过某些机制来接替故障设备的工作。

如上图所示，SW7和SW8若配置了VRRP 那么SW7和SW8就是一个整体，其中一台出现故障都不会对业务造成很大的影响。
VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol-虚拟路由冗余协议)

VRRP概念：

虚拟设备：由一个"主（Master）"设备和多个"备（Backup）"设备组成的一个虚拟网关。
主设备（Master）：负责转发数据报文和周期性向备设备发送VRRP协议报文。
备设备（Backup）：不负责转发数据报文，在Master设备发生故障的时候会通过选举形式成为新的Master设备，该角色会接收来自Master设备的VRRP报文并加以分析。
VRID：

用来表示一个VRRP组。

虚拟IP：

配置在虚拟设备上的虚拟IP地址，一个虚拟设备可以拥有一个或者多个虚拟IP地址。

IP地址拥有者：

分配给虚拟设备的虚拟IP的真实拥有者（例如：分配个虚拟路由的IP为192.168.1.1，但是这个IP已经分配给物理接口G0/0/1这个接口那么这个接口就是"IP拥有者"），IP拥有者会直接跳过选举成为Master，并且是不可抢占的。

虚拟MAC地址：

由虚拟设备生成的虚拟MAC地址，每一个虚拟设备都会自动生成一个虚拟MAC地址，这个MAC地址是用于虚拟设备处理ARP报文的。

优先级：

用于表示物理设备的优先级，这个参数用于Master的选举，取值范围是1-254，这个有优先级有两个比较特殊的值，分别是0和255，优先级0是由原来Master设备发送的，这个优先级是声明此设备不再参与VRRP组。优先级为255的是IP拥有者的优先级，拥有这个优先级会直接成为Master。（优先级数值越低优先级则越高）

抢占模式：

当Backup
设备接收到的VRRP报文通过分析得出当前Master设备的优先级低于Backup设备，则Backup设备会切换为Master设备。

VRRP状态机：
VRRP一共有三种状态，分别是：初始状态（Initialize）、活动状态（Master）、备份状态（Backup）。
初始状态：在这个状态下VRRP是不可用的，在这个状态下的设备是不会处理VRRP报文的，通常是刚配置VRRP时和检测到故障是会是这个状态。
活动状态：处于Master状态下的设备将会做下列工作：

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。
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IP地址比自己的IP地址大，则转为Backup状态。
当接收到接口的Shutdown事件时，转为Initialize。

备份状态：处于Backup状态下的设备，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，立即切换为Master（仅在抢占模式下生效）。
如果收到优先级和自己相同或者比自己高的报文，则重置定时器，不进一步比较IP地址。
当接收到接口的Shutdown事件时，转为Initialize。
如果MASTER_DOWN_INTERVAL定时器超时，则切换为Master。

三种状态机的关系如下图：

工作流程：

VRRP备份组会通过优先级选举出Master，Master会使用虚拟MAC发送ARP报文，使与Master连接的主机或者客户端建立与虚拟MAC对应的ARP映射表，同时Master会周期性发布VRRP报文向所有Backup通告其配置信息与工作状态。
如果当前Master出现故障，Backup设备将会在MASTER_DOWN_INTERVAL定时器超时或者其他联动技术检测到Master出现故障时则会根据Backup组内的成员的优先级选举出新的Master，如果Backup只有一台设备则直接成为Master。
新的Master使用虚拟MAC发送ARP报文，使连接在当前VRRP组内的客户端或者设备刷新其ARP映射表。

如果原来的Master从故障中恢复过来，如果其优先级为255则会直接切换到Master，若不是则会恢复到Backup状态，如果当前为抢占模式，当原Master接收到新Master的VRRP报文发现其优先级高于原Master则原Master会直接成为Master。如果处于非抢占模式，则原Master会在新Master出现故障时通过选举等方式成为Master。
VRRP选举：
VRRP通过优先级来确定设备成为Master或者Backup，优先级取值越低，则优先级越高。
初始创建的VRRP设备都处于初始状态，在该状态下，如果设备的优先级为255，则直接成为Master并且跳过接下来的选举，若不是则会切换到Backup状态，然后会等待MASTER_DOWN_INTERVAL超时后成为Master。
首先切换到Master的设备会通过VRRP报文获取其他设备的优先级，然后通过以下规则进行选举：

如果Backup设备接收到来自Master的VRRP报文，发现其优先级数值低于自身，则继续处于Backup状态。
如果Backup设备接收到来自Master的VRRP报文，发现其优先级数值高于自身，则当前Backup设备会切换到Master，而原Master设备会切换到Backup。如果在非抢占模式下，Backup设备仍然会处于Backup状态。
如果同时有多个设备切换到Master，则会互相通过VRRP报文确定其优先级，优先级高的则成为Master，若优先级一样，则对比IP地址，IP地址大的则成为Master。

VRRP状态通告：
Master设备会周期性发送VRRP报文，通告其配置信息与工作状态，Backup则会接收并处理VRRP报文确定Master设备的工作状态。
当Master主动退出VRRP组是，会发送优先级为0的报文通知所有的Backup设备，Backup设备接收到之后会直接切换到Master状态，若Backup组内有多台设备则通过上述选举选出新的Master设备，而不需要等待MASTER_DOWN_INTERVAL超时后再进行切换或者选举。
当Master设备由于故障不能发送VRRP报文，所有的Backup设备都需要等待MASTER_DOWN_INTERVAL 超时后才会认为Master设备出现故障，之后才切换到Master。

VRRP两种模式：

1、 主备备份模式
主备备份模式就是只由Master设备负责转发数据，而Backup设备则处于待机备份模式不参与数据转发，当Master设备出现故障时才会切换到Master进行数据转发。
参照下图，正常情况下只有SW1转发数据，而SW2则处于待机状态，SW1会周期发送VRRP报文告知SW2自身的配置信息和工作状态，如果SW1发生故障，则SW2会自动切换到到Master继续进行数据转发等。
而当SW1恢复之后，若当前为抢占模式，若SW1的优先级为255那么SW1会直接成为Master否则会先切换到Backup然后再切换到Master。

主备模式
2、 负载分担模式
上述的主备备份模式，若SW1一直正常工作，那么SW2则长期处于待机状态，显然这种做法比较浪费，所以一般会采用负载分担模式，负载分到模式会是SW2都处于工作状态。
参照下图，负载分担模式是创建两个VRRP组分别为A组和B组，A组的Master为SW1，Backup为SW2，而B组的Master为SW2，Backup为SW1，通过创建多个拥有不同虚拟IP的VRRP组，为不同的VLAN指定网关实现负载分担。

负载分担模式
参照上图，在VLAN10当中Master是SW1，Backup为SW2，两台交换机都分别创建vlan10和vlan20 并且分配好IP地址，正常情况下vlan10的客户端会通过SW1访问R1，vlan20的客户端会通过SW2访问R1这样就实现了负载分担，如果SW1出现故障，那么SW2会成为vlan10的Master（同时也是vlan20的Master），接替SW1的工作，而vlan10的客户端也会通过SW2访问R1，而SW2故障则同理。