VRRP协议详解：原理、配置与应用场景
VRRP协议详解：原理、配置与应用场景
VRRP（虚拟路由冗余协议）是一种用于实现网络设备冗余备份和负载分担的协议。通过将多台物理路由器抽象成一个虚拟路由器，VRRP能够提供高可用性和故障切换能力，确保网络通信的连续性。本文将详细介绍VRRP的原理、配置方法以及应用场景。
一、VRRP（虚拟路由冗余协议）简介
1.1 VRRP（虚拟路由冗余协议）使用场景
虚拟路由冗余协议VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的路由设备，将虚拟路由设备的IP地址作为用户的默认网关实现与外部网络通信。当网关设备发生故障时，VRRP机制能够选举新的网关设备承担数据流量，从而保障网络的可靠通信。
1.2 VRRP（虚拟路由冗余协议）实现目的
- 冗余备份
VRRP可以将多台路由设备配置为缺省网关路由器。 - 负载分担
多台设备设置多个vrrp-group来实现网关的负载
1.2 VRRP（虚拟路由冗余协议）术语
- 虚拟路由器：由VRRP抽象生成出的逻辑路由器，此路由器上有虚拟IP和虚拟MAC地址
- 虚拟MAC：VRRP虚拟路由器的MAC地址，格式为00-00-5E-00-01-{VRID}
二、VRRP（虚拟路由冗余协议）结构
2.1 VRRP报文格式
VRRP报文封装在IP报文中，在IP报文头中，源地址为发送报文接口的主IP地址（不是虚拟IP地址），目的地址是224.0.0.18，TTL是255
2.1.1VRRP v2 格式
报文字段 | 含义 |
|---|---|
Version | VRRP协议版本号，取值为2。 |
Type | VRRPv2报文的类型，取值为1，表示Advertisement。 |
Virtual Rtr ID | 虚拟路由器ID。一个VRID唯一标识了一个虚拟路由器，取值范围为[1,255]。(所以一台路由器的接口最多可以运行255个VRRP组) |
Priority | Master设备在备份组中的优先级。 |
Count IPv4 Addrs | 备份组中虚拟IPv4地址的个数。 |
Auth Type | VRRPv2报文的认证类型。协议中指定了3种类型：0：Non Authentication，表示无认证。1：Simple Text Password，表示简单字符认证方式。2：IP Authentication Header，表示HMAC-MD5认证方式。 |
Adver Int | VRRPv2报文的发送时间间隔，单位是秒。 |
Checksum | 16位校验和，用于检测VRRPv2报文中的数据完整性。 |
IPv4 Address | VRRP备份组的虚拟IPv4地址，所包含的地址数定义在Count IPv4 Addrs字段。 |
Authentication Data | VRRPv2报文的认证字。目前只有简单字符认证和HMAC-MD5认证才用到该部分，对于其他认证方式，一律填0。 |
三、VRRP（虚拟路由冗余协议）原理
3.1 VRRP（虚拟路由冗余协议）优先级
- Priority 0：当退出vrrp master，主动请求切换，保留，不能手工配置
- Priority 255：当虚拟IP等于物理网关地址，此交换机是Owner（所有者），默认优先级为255，不能修改
- Priority 100: 缺省优先级
3.2 VRRP（虚拟路由冗余协议）状态机行为
3.2.1 INITIALIZE 初始化
当收到shutdown消息后进入的状态
检查自己是否是owner？如果是Owner（所有者）直接变为MASTER，否则进入BACKUP状态
3.2.2 BACKUP的行为
- 不发送免费Arp
- 不响应针对虚拟网关的的Arp request请求
- 不转发针对dmac为vmac的流量
- 侦听Master发送vrrp通告，启动MDI计时器，一旦计时器超时切master
3.2.3 MASTER 行为
- 发送免费ARP，Smac是虚拟Mac，Dmac是广播
- 响应针对vip（网关ip）的arp-request，回复arp-reply，包含vmac
- 转发针对dmac为vmac的流量
- 周期发送vrrp announcement（vrrp宣告）默认1s
3.3 Master_Down_Interval定时器
Master_Down_Interval定时器是Backup设备在该定时器超时后仍未收到通告，则会转换为Master状态。计算公式如下
$$
\text{Master_Down_Interval} = (3 \times \text{Advertisement_Interval}) + \text{Skew_time} \quad \text{（偏移时间）}
$$
Advertisement_Interval默认1S
$$
\text{Skew_Time} = \frac{256 - \text{Backup Priority}}{256} \quad (\text{单位：秒})
$$
3.4 VRRP（虚拟路由冗余协议）选举流程
初始化时，优先级越高的设备越容易成为Master，Master_Down_Interval定时器的时间优先级越大越短。
当待Master_Down定时器超时后再切换至Master状态。先切换至Master状态的VRRP设备向其他设备（Backup设备）发送VRRP通告报文。
3.4.1 抢占问题
如果VRRP通告报文中Master设备的优先级高于或等于Backup设备的优先级，则Backup设备保持Backup状态；
如果VRRP通告报文中Master设备的优先级低于Backup设备的优先级，采用抢占方式的Backup设备将切换至Master状态，采用非抢占方式的Backup设备仍保持Backup状态。
3.5 VRRP（虚拟路由冗余协议）工作行为
触发条件 | Master设备动作 | Backup设备动作 |
|---|---|---|
收到优先级 > 本地优先级 | 立即切换为Backup状态 | 保持Backup状态，重置MDI计时器 |
收到优先级 < 本地优先级 | 忽略，保持Master状态 | 判断抢占配置： ▸ 抢占关闭 → 保持Backup ▸ 抢占开启 → 根据延时切换Master |
收到优先级 = 本地优先级 | 比较接口IP地址： ▸ IP大 → 切Backup ▸ IP小 → 保持Master | 保持Backup状态，重置MDI计时器 |
收到优先级 = 0 | 不适用（此时设备已释放Master） | 等待Skew_Time后切换为Master |
本机主动关闭VRRP（接口shutdown） | 发送Priority=0，强制释放Master | 立即检测到Priority=0，触发快速切换（无需等待MDI超时） |
四、VRRP（虚拟路由冗余协议）典型配置
# LSW1
#
interface Vlanif10
ip address 192.168.1.254 255.255.255.0
vrrp vrid 1 virtual-ip 192.168.1.254
#
interface Vlanif20
ip address 192.168.2.100 255.255.255.0
vrrp vrid 2 virtual-ip 192.168.2.254
# lSW2
#
interface Vlanif20
ip address 192.168.2.254 255.255.255.0
vrrp vrid 2 virtual-ip 192.168.2.254
#
interface Vlanif10
ip address 192.168.1.100 255.255.255.0
vrrp vrid 1 virtual-ip 192.168.1.254