VRRP介紹
VRRP(Vitual Router Redundancy Protocal，虛擬路由冗餘)是一個容錯協議，將幾臺路由設備聯合起來組成一臺虛擬路由器，在一定保護機制下，主設備發生故障能夠切換到備設備上，從而保證通信正常。
物理視圖：
邏輯視圖：
VRRP的術語以及概念
- VRRP路由器(VRRP Router)：運行VRRP的設備，可加入到一個或多個虛擬路由備份組；
- 虛擬路由器(Virtual Router)：又稱爲VRRP備份組，由一個Master設備和多個Backup設備組成；
- Master路由器：VRRP備份組中當前承擔業務轉發任務的VRRP設備；
- Backup路由器：VRRP備份組中當前沒有承擔業務轉發的VRRP設備；
- VRID(虛擬路由ID)：用於唯一標識不同的VRRP備份組，範圍是1-255；
- 虛擬IP地址(VIP)：分配給虛擬路由器的IP地址。一個VRRP備份組可以有一個或多個虛擬IP地址，但同時只能有一個被使用，其餘均爲備份；
- IP地址擁有者：如果一個VRRP設備將虛擬IP地址作爲自己真實的接口地址，則該設備是IP地址擁有者。不用參加VRRP的選舉，直接發送優先級爲255的報文併成爲Master；
- 虛擬MAC地址：虛擬路由器根據虛擬路由ID(VRID)生成的MAC地址，格式爲:00-00-5E-00-01-{VRID}.虛擬路由器迴應ARP請求時，使用的是虛擬MAC而非真實MAC；
- 優先級：標識虛擬路由器中成員設備的優先級，用於成員設備選舉出Master設備，越大越優，默認爲100(優先級爲255表示IP地址擁有者)，如果成員設備的優先級相同，比較設備的真實IP地址，最大的成爲Master；
- 搶佔模式：搶佔模式下，主設備發生故障，有一個備設備會成爲主設備，在未做其他修改的情況下，發生故障的主設備恢復正常後，會再次成爲主設備；
- 非搶佔模式：在非搶佔模式下，主設備發生故障恢復後，不會再成爲主設備，除非當前主設備發生故障。
VRRP報文格式
VRRP報文是將Master設備的優先級和轉檯通告給同一VRRP備份組的所有Backup設備，僅由Master設備發送；
VRRP報文通過組播發送，源IP地址爲主設備的真實IP地址，目的IP地址爲組播(224.0.0.18)，TTL爲255，協議號爲112(VRRP報文封裝在IP報文裏，故VRRP報文爲傳輸層協議)；VRRP協議包括VRRPv2和VRRPv3，VRRPv2適用於IPv4網絡，VRRPv3適用於IPv4和IPv6網絡；
| 報文字段 | VRRPv2 | VRRPv3 |
|---|---|---|
| Version | VRRP報文的版本 ，取值爲2 | VRRP報文的版本 ，取值爲3 |
| Type | VRRP的報文類型，取值爲1，表示通告(Advertisement)類型 | 與之相同 |
| Virtual Rtr ID | 虛擬路由ID(VRID) ，取值爲1-255 | 與之相同 |
| Priority | 表示Master在VRRP備份組的優先級(從設備也有，但只有主設備纔會發送VRRP報文)，取值範圍爲0-255；0表示設備不參與選舉(快速完成Master設備選舉)或Master設備放棄Master狀態；255表示保留給IP地址擁有者使用，不用經過選舉直接成爲Master設備 | 與之相同 |
| Count IP Addr/Count IPvX Addr | VRRP備份組IPv4地址數量 | VRRP備份組IPv4或IPv6的地址數量 |
| Auth Type | VRRP報文認證的類型： 0：NoneAuthentication,表示無認證方式； 1：Simple Text Authentication,表示採用明文密碼認證方式； 2：IP Authentication Header，表示MD5認證 |
無此字段 (安全認證方式採用IPSec) |
| Adver Init/Max Adver Init | VRRP報文通告時間間隔，單位秒，默認爲1s | VRRP通告時間間隔，單位釐秒，缺省爲100釐秒 |
| Checksum | 16位校驗和，將誒VRRP報文的破損情況或數據是否被修改 | 與之相同 |
| IP Address/IPvX Address | 虛擬IPv4地址，對應字段Count IP address | 虛擬IPv4或IPv6地址，對應字段Count IPvX Addr |
| Authentication Data | 認證數據，只有明文認證和MD5認證纔有此字段 | 無此字段 |
| (rsvd) | 無此字段 | 保留字段 |
VRRP狀態機
VRRP的狀態分爲Initialize(初始狀態)、Backup(備份狀態)和Master(活動狀態)，只有處於Master狀態才能轉發發送到虛擬路由器IP地址的數據報文；
VRRP狀態機的遷移過程：
| 狀態機 | 說明 |
|---|---|
| Initialize | 初始狀態，VRRP不可用狀態，是所有VRRP設備組中成員設備的最開始的狀態，設備不會對VRRP報文做任何處理； 收到startup消息後，如果設備的優先級爲255(IP地址擁有者)，就直接在進入Master狀態，小於255進入Backup狀態； |
| Master | 活動狀態，表示該設備爲主設備，處於Master狀態的設備，工作如下： A. 定時發送VRRP通告報文； B. 以虛擬MAC地址響應對虛擬IP地址的ARP請求； C. 轉發目的爲虛擬MAC地址的IP報文； D. 接收目的IP地址是虛擬IP的報文； E. 如果收到優先級比自己大，或優先級相同且IP地址比自己大的VRRP報文，就立即進入Backup狀態(僅搶佔模式)； F. 收到Shutdown消息後，立即進入Initialize狀態； |
| Backup | 備份狀態，表示該設備爲從設備，處於Backup狀態的設備，工作如下： A. 接收來自Master設備的VRRP通告報文，判斷Master設備是否正常； B. 對虛擬路由器IP地址的ARP請求不響應； C. 丟棄目的地址爲虛擬路由器的IP地址或MAC地址的報文； D. 如果收到優先級比自己大，或優先級相同但IP地址比自己大的VRRP通告報文，就重置Master_Down_interval定時器； 注：Master_Down_Interval定時器用來確定Master設備是否正常工作； 當該定時器超時，Backup設備就會立即切換爲Master設備； 計算公式爲：Master_Down_Interval=(3*Advertisement)+Skew_time; Skew_time=(256-Prority)/256; E. 如果收到優先級比自己小，且優先級爲0(表示放棄Master角色)，就將定時器重置爲Skew_time(偏移時間；重新開始選舉，優先級高的優先切換到Master狀態)； F. 如果收到優先級比自己小，且優先級不爲0，那麼Backup設備立即切換到Master狀態，成爲Master設備(僅搶佔模式)； G. 收到Shutdown消息，立即切換爲Initialize狀態； |
VRRP選舉過程
- a) 初始時VRRP備份組中的所有成員設備都處於Initialize狀態，當設備收到Startup消息後，如果設備的優先級等於255(IP地址擁有者)，就會直接切換成爲Master，不會參加下述的選舉過程(優先級爲0，不參與選舉，處於Initialize狀態)；
- b) 如果設備的優先級小於255，所有成員設備首先會切換到Backup狀態，由於此時VRRP備份組中沒有Master設備，因此成員設備現在都在等待Master_Down_Interval超時(此時Master_Down_Interval等於Skew_time)；
- c) 首先切換到Master狀態的設備就會發送VRRP通告報文，通告自己的優先級等信息，與其他設備交互優先級信息，維持Master狀態；
- d) 如果此時有多個設備由於優先級相同或網絡延遲等原因同時切換到Master報文，那麼這些Master設備都會發送VRRP通告報文，然後比較優先級的大小；優先級大的維持Master狀態，優先級小的切換爲Backup狀態；如果優先級相同，就比較IP地址的大小，較大的爲Master，較小的爲Backup。
VRRP狀態通告
- A) Master設備會週期性的發送VRRP通告報文，維持自己Master狀態；當Master設備放棄Master狀態時，會發送優先級爲0的VRRP通告報文，Backup設備收到該報文後，就會等待Skew_time超時，計算方式爲(256-本設備的優先級)/256，單位爲秒，(有多臺Backup設備時，選舉過程與上述相同)；
- B) 當Master設備出現故障或網絡延遲原因無法發送VRRP通告報文時，Backup設備不會立即知道Master設備出現狀況，會一直等待，直到Master_Down_Interval超時，單位爲秒，就會立即切換爲Master狀態成爲Master設備發送VRRP通告報文(有多臺Backup設備時，選舉過程與上述相同)，其中Master_Down_Interval的計算方式爲：(3*通告時間間隔) + (256-本設備的優先級)/256；
VRRP工作模式
- VRRP主備模式：同一時間段只有一臺設備進行數據的轉發，其他設備不進行業務轉發；只有當Master設備發生故障時，Backup設備纔會轉發業務流量;
- 負載均衡模式：同一時間多臺設備進行業務流量的轉發。該方法分爲兩種模式：雙網關負載均衡(配置多個VRRP備份組，其每個VRRP備份組的網關都不相同[Master設備的位置都不相同]，然後按照VLAN將設備劃入不同備份組裏)和單網關負載均衡(配置多個VRRP備份組[不配置虛擬IP地址]，將設備劃分到不同VRRP備份組中，然後將多個備份組添加進入VRRP負載分擔管理組，指定VRRP負載分擔管理組IP地址爲所有用戶的網關)；
VRRP的優點
- 簡化網絡管理：VRRP能在當前網關設備出現故障時仍然提供可靠的缺省鏈路，無需修改動態路由協議、路由發現協議等配置信息；
- 適應性強：VRRP報文封裝在IP報文裏，支持各種上層協議；
- 網絡開銷小：只用一種VRRP通告報文，有效減輕了網絡設備的額外負擔；