HCNP Routing&Switching之VRRP基礎
前文我們瞭解了鏈路高可用技術鏈路聚合相關話題，回顧請參考https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/16279078.html；今天我們來聊一聊另一種高可用技術，閘道器高可用vrrp相關話題；
技術背景
提示：通常一個網段內只有一個閘道器，當然一旦閘道器出現故障，對應網段內的主機將無法正常和其他網段主機通訊，這也意味著該網段就被孤立了；那該怎麼辦呢？我們可以不可以提供多臺閘道器呢？
提示：我們知道一個閘道器就對應一個ip地址，多臺閘道器就意味著有多個ip地址且彼此都是不同的ip地址；雖然多臺閘道器可以有冗餘備份的效果，但是如果預設閘道器宕機，誰來通知使用者，或者誰來更改使用者側主機的閘道器地址呢？很顯然需要某種協同機制，比如閘道器1是預設閘道器，當預設閘道器宕機以後，對應備份閘道器能夠知道，並且能夠接管預設閘道器的工作的同時，讓使用者無所感知；
VRRP：Virtual Router Redundancy Protocol，虛擬路由器冗餘協定，一般路由器在網路中就是充當閘道器的作用，所以該協定也叫虛擬閘道器冗餘協定；
提示：vrrp它能夠將多臺物理閘道器加入到一個裝置組中，形成一臺虛擬閘道器，承擔物理閘道器的功能；只要裝置組中有任意一臺物理閘道器能夠正常工作，虛擬閘道器就能正常工作；該協定有兩個版本，v2和v3；v2基於IPV4，v3基於IPV6；
提示：當鏈路或裝置發生故障，對應備份閘道器將充當虛擬閘道器，持續為使用者提供閘道器服務；這也提高了整網段的可靠性；
VRRP備份組：VRRP Group
所謂備份組就是將區域網內的一組閘道器劃分在一起；該備份組裡的裝置由一個主裝置（master）和多個備份裝置（backup）組成，功能上相當於一臺虛擬閘道器；虛擬閘道器有一個虛擬ip地址，作為該虛擬閘道器的ip地址，也是使用者端指定的ip地址；
提示：有了虛擬閘道器，對應使用者側就不能設定物理閘道器地址，因為虛擬ip是可以在兩個物理裝置間相互移動，也就是說誰是master，對應誰就擁有虛擬ip的身份（能響應對應虛擬ip的arp請求和資料轉發的能力）；
提示：正常情況下，如果一個裝置組中有master存活，對應backup會一直監聽master的心跳，如果在一定時間段裡，backup沒有收到master的心跳，對應backup就會認為master不存在，它就會主動承擔起master的角色，向外傳送心跳，表示它是master，同時也告訴別人master還活著；正因為是這樣的屬性，當master宕機以後，對應backup就能通過監聽心跳來判斷對應master是否存活，一旦master宕機，backup就會立刻轉變為master角色，為使用者提供閘道器服務；
VRRP選舉規則
VRRP選舉規則是根據各閘道器傳送到vrrp報文中的優先順序確定，優先順序最大者稱為master，其他閘道器稱為backup：master主要負責應答對虛擬ip地址的ARP請求，轉發發往虛擬閘道器的封包；backup主要負責監聽master的心跳，在master故障以後，接替master的工作；vrrp的優先順序範圍是0-255，預設是100，數位越大越優先；其中優先順序255保留給ip地址擁有者使用，所謂ip地址擁有者是指物理閘道器的ip地址和虛擬閘道器的ip地址相同，此時我們手動設定的優先順序就不生效了，它會自動將對應ip地址擁有者的優先順序改成255；優先順序0用於觸發backup立即成為master，如主動退出VRRP組，對應傳送的優先順序就是0；如果優先順序一樣，就比較ip地址，ip地址越大越優先；搶佔規則，預設是開啟；這裡需要注意搶佔只會比較優先順序，如果優先順序一樣，對應不會觸發vrrp master重新選舉；只有在裝置組中收到了更高優先順序的裝置傳送的vrrp報文後，對應才會觸發master的重新選舉；
提示：預設先比較優先順序，優先順序大者成為master,其他裝置成為backup；如果優先順序一樣，則比較ip地址，ip地址大者成為master；
提示：如果物理閘道器的ip地址和虛擬閘道器的ip地址一樣，這對應物理閘道器就是ip地址擁有者，成為master；同時對應裝置的優先順序會自動變為255；
虛擬MAC規則
提示：虛擬mac規則我們只需要知道後面兩個16位元數位表示的是vrrp的組編號，範圍是0-255；前面的00-00-5e是IANA分配的，00-01表示vrrp協定;
VRRP工作流程
提示：預設裝置組裡的裝置都會是backup的狀態傳送vrrp報文，選舉master；如果裝置組裡只有一臺裝置，那麼等待計時器超時以後，對應狀態會從backup轉變為master；如果有多臺裝置，首先會根據優先順序選舉出master，如果優先順序一樣則比較ip地址，ip地址大者成為master；
提示：根據優先順序比較，如果對應裝置優先順序高，對應裝置就會立刻成為master，其他裝置將成為backup，成為master的裝置會週期性傳送vrrp報文，意思就是告訴backup master還活著；
提示：成為master的裝置首先會傳送一個免費ARP，告訴交換機虛擬mac地址；對應交換機收到免費ARP以後，對應就會在mac地址表項中記錄對應虛擬mac對應的埠；後續交換機收到虛擬mac封裝的包，會自動轉發到對應的介面，傳送給master；
提示：當pc請求虛擬閘道器的mac時，首先pc會傳送arp廣播，交換機收到arp廣播以後，會泛洪所有埠，但是隻有master會應答該arp請求；
提示：當pc收到虛擬閘道器mac以後，就會封裝目標mac為虛擬閘道器mac進行封包傳送，當交換機收到對應報文以後，會根據自己記錄的mac地址表項，從對應介面轉發出去給master；後續master收到對應資料包文後，就會進行處理（因為master擁有虛擬mac和虛擬ip的使用權，即它可以解封裝虛擬mac的包和虛擬ip的包，同時重新封裝，簡單講使用者的報文到達master後會進行解封裝、和再次封裝的過程，當然回來的包也會經歷這個過程）；
提示：當master發生故障以後，對應backup會等待一段時間，如果在這個等待的時間裡沒有收到master的心跳，此時backup就會認為對應master應該是故障了，backup就會切換成master，接替master繼續工作；
提示：當然當backup成為master以後，對應也會向交換機傳送免費arp告訴交換機更新自己的mac地址表項；對應交換機收到免費ARP報文以後，就會記錄虛擬mac地址和收到免費ARP的介面做對應；
提示：當pc再次向交換機傳送虛擬mac地址封裝的包後，對應交換機就會根據自己的mac地址表項記錄的介面，轉發pc的封包；
提示：如果master恢復以後，對應沒有設定搶佔，即便自己的優先順序高，對應master角色也不會恢復；只有開啟了搶佔模式以後，對應vrrp裝置組中有更高優先順序的裝置傳送vrrp報文，才會觸發master的重新選舉；
VRRP定時器
VRRP定時器有兩種，一種是通告間隔定時器，一種是搶佔延時定時器；所謂通告間隔定時器就是指master每隔多久傳送一次心跳；預設是1秒一次；正常情況下master會定時傳送VRRP通告報文，告訴backup自己還活著；如果backup在等待3個間隔時間後，依然沒有收到master的通告報文，則認為master故障，此時backup會將狀態切換成master，並對外傳送vrrp通告報文，重新進行master的選舉；
搶佔延時定時器是指開啟了搶佔模式，對應master故障後，又恢復了，是隔多久將狀態切換成master；預設是0秒，即只要master恢復就立刻搶佔；為了避免頻繁的主備切換，讓backup有足夠的時間收集必要的資訊，backup接收到優先順序更低的vrrp通告報文後，不會立即搶佔成為master，而是等待一定時間才會對外傳送vrrp通告報文取代原來的master；
VRRP報文格式
提示：version表示版本，有v2和v3，v2基於ipv4，v3基於ipv6；其中type表示對應的型別；virtual Rtr ID表示vrrp 組的編號；priority表示對應裝置的優先順序；count ip addrs表示虛擬ip地址的數量；auth type表示認證型別；adver Int表示通告間隔時長；後面的就是校驗和，ip地址，認證等資訊；vrrp是屬於網路稱協定，其協定號為112，組播地址為224.0.0.18；各網路協定層次劃分可以參考https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/qiuhom-1874/1989985/o_220529161814_Layer%20division%20of%20network%20protocols.jpg；
VRRP狀態機制
提示：VRRP的狀態有三種，分別是backup、master、Initialize；其中預設最開始時都會是backup的狀態，當收到優先順序大於本地優先順序的裝置傳送的vrrp報文後，或者收到優先順序和本地優先順序一樣，且ip地址大於本地介面ip地址的報文後，對應裝置會處於backup狀態；當在3個週期沒有收到master傳送的心跳，或者收到優先順序小於本地優先順序的報文，且開啟了搶佔的情況下，對應裝置會從backup狀態切換至master狀態；如果是ip地址擁有者，最開始它不是backup狀態而是Initialize狀態，然後直接轉變為master狀態；如果master/backup對應介面down掉以後都會回到Initialize狀態；當然如果原來是backup，由於介面down掉變為Initialize狀態，在介面恢復後還是會恢復成backup（master存活的情況下，如果master down，會觸發新的master選舉，會從backup轉變為master）
VRRP設計方案注意事項
提示：我們知道在二層網路里，如果開啟了STP，那麼所有流量都會先到根橋，然後從根橋網其他地方轉發；如果master和stp根橋不在同一裝置，則會出現次優路徑；所以為了避免次優路徑，對應vrrp裡的master和stp裡的root應該保持一致，即都在同一裝置；
VRRP應用
提示：主備備份是最常見的VRRP應用，即在一個裝置組裡，一個master工作多個backup看著master工作，監聽master的心跳；很顯然這種是很浪費裝置，同時master的壓力也是比較大；
提示：負載分擔是合理的規劃，將多個裝置組在同一臺裝置上設定不同的角色，比如組1裡R1為master，R2和R3為backup；在組2裡R2為master，R1和R3為backup；在組3裡R3為master，R1和R2為backup；這樣一來使得每個路由器都得到了應用，同時多個路由器兩兩備份，其中一臺或兩臺宕機都不會影響業務的存取；
VRRP跟蹤
提示：所謂vrrp跟蹤是指非vrrp介面宕掉以後，對應vrrp介面能夠感知；如上圖所示如E0口是master介面，如果G1口down掉以後，對應vrrp並不會感知，對應pc的資料還是會轉發至RA的E0口；這樣一來對應pc的資料就會繞路；所以為了避免因非vrrp介面down造成次優路徑；我們可以在master上vrrp介面上繫結一個介面，如果一旦該介面down掉，對應vrrp的優先順序自動降低至能夠觸發master選舉，讓backup成為master；
提示：如上，master上游鏈路故障後，自動將優先順序降低30，使得master的優先順序小於backup即可，對應backup 收到小於自己本地優先順序的vrrp報文，它會自動切換成master，從而避免次優路徑的發生；這裡需要master 降低後的優先順序要小於backup才行，如果降低後的優先順序大於backup，對應不會觸發master選舉，沒有意義；
提示：除了master優先順序降低後要小於backup的優先順序之外，對應backup要開啟搶佔才行，如果backup沒有開啟搶佔，對應即便收到優先順序小於自己本地優先順序的vrrp報文，對應backup也不會成為master；所以使用vrrp追蹤必須滿足兩點，master降低後的優先順序要小於backup，其次是backup上必須開啟搶佔；