VRRP基础
VRRP
VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）虚拟路由器冗余协议，实现了网关的备份，同时解决了多个网关之间互相冲突的问题，从而提高网络可靠性。
VRRP相关概念
如上图所示，通过把几台（不一定只有两台）路由设备联合成一台虚拟的路由设备，保证当主机的下一条路由设备出现故障时，及时将业务切换到备份路由设备，从而保证通讯的可靠性和连续性。
VRRP路由器
VRRP路由器（VRRP Router）：运行VRRP协议的设备，它可能属于一个或多个虚拟路由器，如R1和R2。VRRP是配置在路由器的接口上的，也是基于接口来工作的。
VRID
VRID（Virtual Router Identifier）：一个VRRP组（VRRP Group）由多台协同工作的路由器（的接口）组成，使用相同的VRID进行标识。如R1和R2组成的虚拟路由器的VRID为1。
虚拟路由器
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R1和R2共同组成了一个虚拟路由器。一个VRRP组只有一个虚拟路由器。
虚拟IP和虚拟MAC
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SwitchA和SwitchB组成的虚拟路由器的虚拟IP地址为192.168.1.254/24。
虚拟MAC地址（Virtual MAC Address）：虚拟路由器根据虚拟路由器ID生成的MAC地址。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。虚拟路由器的MAC地址格式为**00-00-5E-00-01-xx，xx为VRID**，如R1和R2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。
Master路由器
Master路由器（Virtual Router Master）：承担转发报文任务的VRRP设备，在每一个VRRP组中，只有Master路由器才会相应针对虚拟IP的ARP Request。同时Master会周期性地发送VRRP报文通知Backup路由器关于自己存活情况。例如在该例下Master为R1。
Backup路由器
Backup路由器（Virtual Router Backup）：一组没有承担转发任务的VRRP设备，实时侦听Master发来的VRRP报文，当Master设备出现故障时，它们将通过竞选成为新的Master设备，如R2。
优先级
优先级（Priority）是用于选举Master和Backup路由器的依据，优先级取值范围为0~255，值越大优先级越高（生成树协议中相反🤣），当优先级相同时则比较接口的IP地址大小，大的优先。（默认值为100）
IP地址拥有者
IP地址拥有者（IP Address Owner）：如果一个VRRP设备将虚拟路由器IP地址作为真实的接口地址，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，通常它将成为Master。如R1，其接口的IP地址与虚拟路由器的IP地址相同，均为10.1.1.10/24，因此它是这个VRRP备份组的IP地址拥有者。
VRRP定时器
前面提到，Master会周期性地向Backup发送VRRP报文，周期依据就是Advertisement_Interval定时器，缺省值为1s
而Backup也会侦听Master，当超过一定时间没有收到Master发来的VRRP报文，就会切换到Master身份。依据就是Master_Down_Interval定时器，其计算公式如下： $$ Master_Down=(3×Adver_Interval)+Skew_time(偏移时间)\ 其中\ Skew_time=(256-Priority)/256 $$
VRRP报文格式
VRRP协议报文用来将Master设备的优先级和状态通告给同一备份组的所有Backup设备。
VRRP协议报文封装在IP报文中，发送到分配给VRRP的IP组播地址。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，协议号是112。
主IP地址（Primary IP Address）：从接口的真实IP地址中选出来的一个主用IP地址，通常选择配置的第一个IP地址。
目前，VRRP协议包括两个版本：VRRPv2和VRRPv3。VRRPv2仅适用于IPv4网络，VRRPv3适用于IPv4和IPv6两种网络。 基于不同的网络类型，VRRP可以分为VRRP for IPv4和VRRP for IPv6（简称VRRP6）。VRRP for IPv4支持VRRPv2和VRRPv3，而VRRP for IPv6仅支持VRRPv3。
V2版本：
V3版本：
没有
| 报文字段 | 含义 | 含义 |
|---|---|---|
| VRRPv2 | VRRPv3 | |
| Version | VRRP协议版本号，取值为2。 | VRRP协议版本号，取值为3。 |
| Type | VRRP通告报文的类型，取值为1，表示Advertisement。 | VRRP通告报文的类型，取值为1，表示Advertisement。 |
| Virtual Rtr ID（VRID） | 虚拟路由器ID，取值范围是1～255。 | 虚拟路由器ID，取值范围是1～255。 |
| Priority | Master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。缺省值是100。 | Master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。缺省值是100。 |
| Count IP Addrs/Count IPvX Addr | 备份组中虚拟IPv4地址的个数。 | 备份组中虚拟IPv4或虚拟IPv6地址的个数。 |
| Auth Type | VRRP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，表示明文认证方式。 2：IP Authentication Header，表示MD5认证方式。 | - |
| Adver Int/Max Adver Int | VRRP通告报文的发送时间间隔，单位是秒，缺省值为1秒。 | VRRP通告报文的发送时间间隔，单位是厘秒，缺省值为100厘秒（1秒）。 |
| Checksum | 16位校验和，用于检测VRRP报文中的数据破坏情况。 | 16位校验和，用于检测VRRP报文中的数据破坏情况。 |
| IP Address/IPvX Address(es) | VRRP备份组的虚拟IPv4地址，所包含的地址数定义在Count IP Addrs字段。 | VRRP备份组的虚拟IPv4地址或者虚拟IPv6地址，所包含的地址数定义在Count IPvX Addrs字段。 |
| Authentication Data | VRRP报文的认证字。目前只有明文认证和MD5认证才用到该部分，对于其它认证方式，一律填0。 | - |
| rsvd | - | VRRP报文的保留字段，必须设置为0。 |
VRRP工作原理
VRRP三种状态
一个Startup事件可以由系统在VRRP配置完成后自动触发，也可以是在已经配置VRRP的端口上，底层链路由不可用变为可用而触发。
三种状态说明：
| 状态 | 说明 |
|---|---|
| Initialize | 该状态为VRRP不可用状态，在此状态时设备不会对VRRP报文做任何处理。通常刚配置VRRP时或设备检测到故障时会进入Initialize状态。收到接口Up的消息后，如果设备的优先级为255，则直接成为Master设备；如果设备的优先级小于255，则会先切换至Backup状态。 |
| Master | 当VRRP设备处于Master状态时，它将会做下列工作： 定时（Advertisement Interval）发送VRRP通告报文。 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，立即成为Backup。 如果收到与自己优先级相等的VRRP报文且本地接口IP地址小于对端接口IP，立即成为Backup。 |
| Backup | 当VRRP设备处于Backup状态时，它将会做下列工作： 接收Master设备发送的VRRP通告报文，判断Master设备的状态是否正常。 对虚拟IP地址的ARP请求，不做响应。 丢弃目的IP地址为虚拟IP地址的IP报文。 如果收到优先级和自己相同或者比自己大的报文，则重置Master_Down_Interval定时器，不进一步比较IP地址。 如果收到比自己优先级小的报文且该报文优先级是0时，定时器时间设置为Skew_time（偏移时间），如果该报文优先级不是0，丢弃报文，立刻成为Master。 |
VRRP工作过程
- 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。
- Master设备周期性向备份组内所有Backup设备发送VRRP通告报文，以公布其配置信息（优先级等）和工作状况。
- 如果Master设备出现故障，VRRP备份组中的Backup设备将根据优先级重新选举新的Master。
- VRRP备份组状态切换时，Master设备由一台设备切换为另外一台设备，新的Master设备会立即发送携带虚拟路由器的虚拟MAC地址和虚拟IP地址信息的免费ARP报文，刷新与它连接的主机或设备中的MAC表项，从而把用户流量引到新的Master设备上来，整个过程对用户完全透明。
- 原Master设备故障恢复时，若该设备为IP地址拥有者（优先级为255），将直接切换至Master状态。若该设备优先级小于255，将首先切换至Backup状态，且其优先级恢复为故障前配置的优先级。
- Backup设备的优先级高于Master设备时，由Backup设备的工作方式（抢占方式和非抢占方式）决定是否重新选举Master。
- 抢占模式：在抢占模式下，如果Backup设备的优先级比当前Master设备的优先级高，则主动将自己切换成Master。
- 非抢占模式：在非抢占模式下，只要Master设备没有出现故障，Backup设备即使随后被配置了更高的优先级也不会成为Master设备。
由此可见，为了保证Master设备和Backup设备能够协调工作，VRRP需要实现以下功能：
- 主备选举。
- 主备切换
主备选举
接口优先级不同
初始创建VRRP的设备工作在Initialize状态，收到接口Up的消息后，若此设备的优先级小于255，则会先切换至Backup状态，等待MASTER_DOWN定时器超时后再切换至Master状态。
如果优先级高的设备先启动，优先级低的设备后启动，则优先级高的设备先进入Master状态，优先级低的设备收到高优先级的VRRP通告报文，自己仍处于Backup状态。
如果优先级低的先启动，优先级高的后启动，则优先级低的先由Backup状态切换为Master状态，优先级高的设备收到优先级低的VRRP通告报文，重新进行选举，将优先级高的设备切换为Master状态。
接口优先级相同
存在IP地址拥有者
通常情况下，VRRP路由器的接口IP地址不会与虚拟路由器的IP地址重叠，也就是说我们会为虚拟路由器单独规划一个IP地址，而不会使用某台路由器的接口IP地址。当然也存在一个特殊的情况，例如在某些网络中IP地址资源比较紧缺，那么也有可能会将某台路由器的接口IP地址用于虚拟路由器，此时该路由器将无条件成为Master。
无法手动将VRRP接口优先级配置为255，当接口IP地址为IP地址拥有者时，优先级自动成为255。
主备切换
- 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。
Master故障：备切主
Master恢复：主切备
开启抢占模式的VRRP备份组，当主备进行切换时，总共时长为：3xAdver_Interval+Skew_time+Delay_time
在抢占模式下，当Master的设备状态不稳定或者网络质量差时，会导致VRRP备份组频繁切换，从而引发终端ARP表项频繁刷新，为缓解此问题，通常设置抢占延时定时器，通过MASTER_INTERVAL定时器超时时间加上延时时间，确定状态稳定后，再进行主备回切。
VRRP应用场景
负载分担
负载分担方式需要建立多个VRRP备份组，各备份组的Master设备可以不同；同一台VRRP设备可以加入多个备份组，在不同的备份组中具有不同的优先级。
VRRP监视上行端口
如果用户未配置VRRP监视上行端口，则当VRRP备份组中的Master设备R1的上行接口或者链路出现故障时，VRRP备份组无法感知，Master无法向外转发流量。但是由于主备不会发生切换，导致出现流量黑洞。
VRRP+BFD
当VRRP备份组之间的链路出现故障时，由于此时VRRP报文无法正常交互，Backup设备需要等待Master_Down_Timer计时器超时后才会切换为Master设备，在等待切换期间内，业务流量仍会发往Master设备，此时会造成业务流量丢失。
通过在Master设备和Backup设备之间建立BFD会话并与VRRP备份组进行绑定，由BFD机制快速检测VRRP备份组之间的通信故障，并在出现故障时及时通知VRRP备份组进行主备切换，从而大大减少应用中断时间。
在普通BFD联动中，VRRP备份组会根据BFD会话的状态进行优先级调整，并根据调整后的优先级判断是否进行主备切换。在实际应用中，通常Master设备配置延时抢占，而Backup设备配置立即抢占，当Backup设备检测到BFD会话状态出现DOWN后，通过增加自身优先级大于Master优先级实现快速切换，当故障排除，BFD会话状态出现UP时，新的Master通过减小自己的优先级，发送vrrp通告报文，经过延迟时间后再次切换为Backup。
VRRP+MSTP
- MSTP是将一个或多个VLAN映射到一个生成树的实例，若干个VLAN共用一个生成树，MSTP可以实现负载均衡。
- VRRP配置网关可以灵活根据网络拓扑变化而自动切换，提高网络可靠性。
- VRRP+MSTP可以在实现负载分担的同时保证网络冗余备份。
VPPR基本配置
