VRRP技術實現網路的路由冗餘和負載平衡

1 問題的提出

　　隨著網路應用的不斷深入和發展，使用者對網路可靠性的需求越來越高。網路中路由器運行動態路由協議如RIP、OSPF可以實現網路路由的冗餘備份，當一個主路由發生故障後，網路可以自動切換到它的備份路由實現網路的串連。但是，對於網路邊緣終端使用者的主機運行一個動態路由協議來實現可靠性是不可行的。一般企業區域網路通過路由器串連外網，區域網路內使用者主機通過配置預設閘道來實現與外部網路的

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圖1  配置預設閘道

　　一所示，內部網路上的所有主機都配置了一個預設閘道（GW:192.168.1.1）,為路由器的E thernet0介面地址。這樣，內網主機發出的目的地址不在本網段的報文將通過預設閘道發往RouterA，從而實現了主機與外部網路通訊。路由器在這裡是網路中的關鍵裝置，當路由器RouterA出現故障時,區域網路將中斷與外網的通訊。對於依託網路與外部業務往來頻繁的企業以及公司的分公司與總部的聯絡、銀行的營業網點與銀行資料中心的串連等方面的應用將因此受到極大的影響。為提高網路的可靠性，在網路構建時，往往多增設一台路由器。但是，若僅僅在網路上設定多個路由器，而不做特別配置，對於目標地址是其它網路的報文，主機只能將報文發給預先配置的那個預設閘道，而不能實現故障情況下路由器的自動切換。VRRP虛擬路由器冗餘協議就是針對上述備份問題而提出，消除靜態預設路由環境中所固有的缺陷。它不改變組網情況，只需要在相關路由器上配置極少幾條命令，在網路裝置故障情況下不需要在主機上做任何更改配置，就能實現下一跳網關的備份，不會給主機帶來任何負擔。

　　2 VRRP技術分析

　　VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)是一種LAN接入裝置容錯協議，VRRP將區域網路的一組路由器（包括一個Master即活動路由器和若干個Backup即備份路由器）組織成一個虛擬路由器，稱之為一個備份組，2所示。

圖2  虛擬路由器

　　VRRP將區域網路的一組路由器，二中的RouterA和RouterB 組織成一個虛擬路由器。這個虛擬路由器擁有自己的IP地址192.168.1.3，稱為路由器的虛擬IP地址。同時，物理路由器RouterA ,RouterB也有自己的IP地址（如RouterA的IP地址為192.168.1.1，RouterB的IP地址為192.168.1.2）。區域網路內的主機僅僅知道這個虛擬路由器的IP地址192.168.1.3，而並不知道備份組內具體路由器的IP地址。在配置時，將區域網路主機的預設閘道設定為該虛擬路由器的IP地址192.168.1.3。於是，網路內的主機就通過這個虛擬路由器來與其它網路進行通訊，實際的資料處理由備份組內Master路由器執行。如果備份組內的Master路由器出現故障時，備份組內的其它Backup路由器將會接替成為新的Master，繼續向網路內的主機提供路由服務。從而實現網路內的主機不間斷地與外部網路進行通訊。

　　VRRP通過多台路由器實現冗餘，任何時候只有一台路由器為主路由器，其他的為備份路由器。路由器間的切換對使用者是完全透明的，使用者不必關心具體過程，只要把預設路由器設為虛擬路由器的IP地址即可。路由器間的切換過程：

　　⑴ VRRP協議採用競選的方法選擇主路由器。比較各台路由器優先順序的大小，優先順序最大的為主路由器，狀態變為Master。 若路由器的優先順序相同，則比較網路介面的主IP地址，主IP地址大的就成為主路由器，由它提供實際的路由服務。

　　⑵ 主路由器選出後，其它路由器作為備份路由器，並通過主路由器發出的VRRP報文監測主路由器的狀態。當主路由器正常工作時，它會每隔一段時間發送一個VRRP組播報文，以通知備份路由器，主路由器處於正常工作狀態。如果組內的備份路由器長時間沒有接收到來自主路由器的報文，則將自己狀態轉為Master 。當組內有多台備份路由器時，重複第1步的競選過程。通過這樣一個過程就會將優先順序最大的路由器選成新的主路由器，從而實現VRRP的備份功能。

　　3 VRRP技術應用於大型園區網路

　　VRRP技術不但用於上述區域網路串連外網的路由器的備份，還廣泛用於大型園區網路核心層三層交換器的冗餘備份。在大型園區網路中，核心層處於網路的中心，網路之間的大量資料都通過核心層裝置進行交換，同時承擔不同VLAN之間路由的功能。核心層裝置一旦宕機，整個網路即面臨癱瘓。因此，在園區網路設計中，核心裝置的選擇，一方面要求其具有強大的資料交換能力，另一方面要求其具有較高的可靠性，一般選擇高端核心三層交換器。同時，為進一步提高核心層的可靠性，避免核心層裝置宕機造成整個網路癱瘓，一般在核心層再放置一台裝置，作為另一台裝置的備份，一旦主用裝置整機出現故障，立即切換到備用裝置，確保網路核心層的高度可靠性。

　　核心層三層交換器的切換需要應用VRRP技術。3所示（為簡便起見，以兩層結構的網路為例），為提高網路的可靠性，在網路核心層放置兩台三層交換器（S1、S2），接入層二層交換器（SW1、SW2、…、SWn）分別串連兩台核心交換器。在大型園區網路中，為抑制廣播訊號，提高網路的效能，同時實現網路的安全存取控制，一般根據具體情況將整個網路分成多個不同的VLAN，V LAN中主機的預設閘道設定為三層交換器上VLAN的介面地址。

圖3 VRRP在園區網路中的應用

　　VRRP協議將網路中兩台三層交換器（S1、S2）組成VRRP備份組，針對於網路中每一個VLAN介面，備份組都擁有一個虛擬預設網關地址。以VLAN3為例，VRRP備份組設定VLAN3的虛擬IP地址（譬如：192.168.3.1）,備份組中S1、S2同時分別擁有自己的VLAN3的介面IP（譬如分別為：192.168.3.2，192.168.3.3），VLAN3內主機的預設閘道則設為VRRP備份組VLAN3的虛擬IP地址（192.168.3.1）。VLAN3內的主機通過這個虛擬IP訪問VLAN3之外的網路資源，但實際的資料處理有備份組內活動（Master）交換器執行。如果活動交換器發生了故障，VRRP協議將自動由備份交換器（Backup）來替代活動交換器。由於網路內的終端配置了VRRP虛擬網關地址，發生故障時，虛擬交換器沒有改變，主機仍然保持串連，網路將不會受到單點故障的影響，這樣就很好地解決了網路中核心交換器切換的問題。

　　4 VRRP用於負載平衡

　　在VRRP 中，允許一台路由器加入多個備份組，通過多備份組設定可以實現負荷分擔。

　　二所示，路由器RouterA作為備份組1的Master路由器，同時又為備份組2 的Backup備份路由器。而路由器RouterB正相反，作為備份組2 的Master，並為備份組1 的Backup備份路由器。一部分主機使用備份組1 的虛擬IP作網關，另一部分主機使用備份組2的虛擬IP作為網關。這樣，既達到分擔資料流，又實現相互備份的目的。

　　路由器配置（實際IP, RouterA :192.168.1.1/24，RouterB：192.168.1.2/24）

	備份組1	備份組2
虛擬IP	192.168.1.3	192.168.1.4
備份群組成員	Master:RouterA，Backup：RouterB	Master:RouterB，Backup：RouterA

　　區域網路主機配置（假如網路有100台主機）

	PC1——PC50	PC51——PC100
IP Address	192.168.1.X/24	192.168.1.X/24
Gateway	192.168.1.3	192.168.1.4

　　兩台路由器互為備份。在路由器正常時，兩台路由器各自分擔一部分資料流量；當其中一台路由器出現故障時,另一台路由器就會自動分擔起所有資料流量,資料的傳輸不會受到任何的影響。這樣既達到負載平衡，又實現相互備份的目的。

　　5 結論

　　對於使用固定網關的網路，當此網關出現故障時，要想將故障對使用者的影響降低到最小，VRRP協議無疑是最低價的選擇。對於使用多個網關的網路中可以使用VRRP協議讓不同的網關之間互相備份，這樣既不會增加網路裝置，同時又達到了熱備份的目的，使網路故障發生時使用者的損失降至最低。而且VRRP 是RFC 標準協議，能方便地實現各廠家裝置間的互連。正是由於VRRP 具有這些優點，使得它成為建設一個穩定可靠網路所需的有力工具。