摘 要：隨著Internet的快速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越多，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求也越來越高。購(gòu)買增加網(wǎng)絡(luò)新設(shè)備是一種很好的解決方案，但從節(jié)約成本的角度考慮，采用較為廉價(jià)的冗余技術(shù)，可以在可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面找到平衡點(diǎn)。VRRP是一種備份冗余解決方案。它共享多路訪問介質(zhì)（如以太網(wǎng)）上終端IP設(shè)備的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行冗余備份。當(dāng)其中一臺(tái)路由器設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，備份路由器設(shè)備能夠及時(shí)喚醒并完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，從而保持通信的連續(xù)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：可靠性；冗余技術(shù)；VRRP；多路訪問

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）虛擬路由冗余協(xié)議[1]，是一種容錯(cuò)協(xié)議。該協(xié)議把幾臺(tái)路由設(shè)備聯(lián)合組合成一臺(tái)虛擬的路由設(shè)備。該虛擬路由器在本地局域網(wǎng)有一個(gè)唯一的虛擬ID和虛擬IP地址。實(shí)際上，該虛擬路由器是由一個(gè)主設(shè)備和備份設(shè)備組成。正常情況下由主設(shè)備提供服務(wù)。當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，由備份設(shè)備提供服務(wù)，從而保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和連續(xù)性。

2 VRRP應(yīng)用背景（VRRP application background）

采用VRRP可以很好地避免靜態(tài)指定網(wǎng)關(guān)的缺陷[2]。如圖1所示，用戶主機(jī)通過配置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的訪問。圖1中，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)（CLIENT1、CLIENT2、CLIENT3、CLIENT4）都配置了一個(gè)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)10.1.1.1。該路由器的下一跳指向主機(jī)所在網(wǎng)段內(nèi)的一個(gè)路由器CLIENT1，CLIENT1將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣，主機(jī)發(fā)出的目的地址不在本網(wǎng)段的報(bào)文將被通過默認(rèn)路由發(fā)往CLIENT1，從而實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。然而，一旦CLIENT1出現(xiàn)故障，主機(jī)將無法與其他網(wǎng)段通信。

為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，一個(gè)解決方案是在網(wǎng)絡(luò)上多部署一臺(tái)路由器[3]，為主機(jī)配置多個(gè)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。這種方式表面上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)冗余，但不能真正地做到網(wǎng)關(guān)冗余。如圖2所示，HostA通過雙網(wǎng)關(guān)去訪問FTP Server，如果HostA正常工作，那么CLIENT1會(huì)把數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)RouterA，然后由RouterA路由給FTP Server。如果RouterA因某種原因鏈路斷開了，HostA無法感知到這個(gè)故障，而繼續(xù)將報(bào)文發(fā)送給HostA。也就是說在這種情況下，沒有機(jī)制可以使CLIENT1切換到另一個(gè)網(wǎng)關(guān)RouterB。

VRRP就是針對(duì)路由設(shè)備問題而提出的。它解決了靜態(tài)默認(rèn)路由環(huán)境中所固有的缺陷，對(duì)主機(jī)沒有任何運(yùn)行負(fù)擔(dān)。VRRP通過使用虛擬路由器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了備份主機(jī)的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，同時(shí)還可以通過VRRP來達(dá)到網(wǎng)關(guān)的負(fù)載平衡。

3 VRRP轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制（VRRP forwarding mechanism）

如圖3所示，RouterA、RouterB、RouterC都是VRRP路由器[4]，三臺(tái)路由器通過運(yùn)行VRRP虛擬出一臺(tái)路由器。這個(gè)虛擬路由器的IP地址被設(shè)置為RouterA的IP地址10.1.1.1。網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)都為虛擬路由器的IP地址。

圖3中，由于虛擬路由器使用RouterA的物理以太網(wǎng)接口的IP，因此RouterA就擔(dān)當(dāng)了主路由器的角色，RouterA被稱為IP地址擁有者（owner）。作為主路由器，RouterA控制虛擬路由器的IP地址，并負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)送到該虛擬IP地址的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。RouterB和RouterC為備用路由器。如果主路由器RouterA發(fā)生故障，作為備用路由器優(yōu)先級(jí)較高的RouterB和RouterC將替代為主路由器。當(dāng)RouterA恢復(fù)正常后，將再次成為主路由器。

4 VRRP選舉機(jī)制（VRRP electoral mechanism）

VRRP主要通過選舉機(jī)制來確定主設(shè)備備份設(shè)備（Master或Backup）[5]。運(yùn)行VRRP的一組路由器對(duì)外部形成一臺(tái)虛擬路由器，在這組路由器當(dāng)中只有一臺(tái)路由器處于Master狀態(tài)，而其他的路由器處于Backup狀態(tài)。

運(yùn)行VRRP的所有路由設(shè)備都會(huì)發(fā)送和接收VRRP通告消息，通告消息中包含該設(shè)備的VRRP優(yōu)先級(jí)信息。VRRP主要通過比較該組路由設(shè)備的優(yōu)先級(jí)來確定哪臺(tái)設(shè)備是主設(shè)備，優(yōu)先級(jí)高的路由器為主路由器，優(yōu)先級(jí)低的路由器為備份路由器。如果VRRP組中存在虛擬IP地址與某一臺(tái)VRRP路由器的地址相同時(shí)，這臺(tái)路由器將成為主路由器，并且該路由器還具有最高優(yōu)先級(jí)255[6]。

如圖4所示，RouterA和RouterB的VRRP優(yōu)先級(jí)為150，RouterC的VRRP優(yōu)先級(jí)為默認(rèn)的100，那么主路由器將在RouterA和RouterB之間產(chǎn)生。由于RouterA和RouterB的優(yōu)先級(jí)相同，所以需要通過比較接口的IP地址。最終由于RouterB具有更大的接口IP地址，所以RouterB將成為該組的主路由器（Master），RouterA和RouterC成為備份路由器（Backup）。

5 VRRP基本配置（VRRP basic configuration）

如圖5所示的拓?fù)渲校琑outerA與RouterB屬于VRRP組23，虛擬IP地址為RouterA接口的地址，所以RouterA成為該組的IP地址擁有者和主路由器。HostA將其默認(rèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為虛擬IP地址[7]。

（1）RouterA的VRRP組配置

RouterA（config）#interface Fa 1/0

RouterA（config-if）#ip add 10.1.1.1 24

RouterA（config-if）#vrrp 23 10.1.1.1

RouterA（config-if）#endendprint

（2）RouterB的VRRP配置

RouterB（config）#interface Fa 1/0

RouterB（config-if）#ip add 10.1.1.1 24

RouterB（config-if）#vrrp 23 ip 10.1.1.1

RouterB（config-if）#end

配置完成后，可以使用命令show vrrp brief來查看VRRP組的狀態(tài)。

（3）查看RouterA的VRRP狀態(tài)

RouterA#show vrrp brief

Interface Grp Pri Time Own Pre state Master addr Group addr

FastEth1/0 23 255 3 O P Master 10.1.1.1 10.1.1.1

從RouterA的顯示信息中可以看出，RouterA的優(yōu)先級(jí)為255，作為VRRP組23的IP地址擁有者，并且狀態(tài)為Master（主路由器）。

（4）查看RouterB的VRRP狀態(tài)

RouteB#show vrrp brief

Interface Grp Pri Time Own Pre state Master addr Group addr

FastEth1/0 23 100 3 - P Backup 10.1.1.1 10.1.1.1

從RouterB的顯示信息中可以看出，RouterB的優(yōu)先級(jí)為默認(rèn)值100，狀態(tài)為Backup（備份路由器）。

（5）RouterA的VRRP優(yōu)先級(jí)配置

RouterA（config）#interface Fa 1/0

RouterA（config-if）#ip add 10.1.1.1 24

RouterB（config-if）#vrrp 50 ip 10.1.1.50

RouterB（config-if）#vrrp 50 priority 120

RouterA（config-if）#end

（6）RouterB的VRRP優(yōu)先級(jí)配置

RouterB（config）#interface Fa 1/0

RouterB（config-if）#ip add 10.1.1.1 24

RouterB（config-if）#vrrp 50 ip 10.1.1.50

RouterB（config-if）#end

通過使用命令show vrrp brief來查看VRRP選舉狀態(tài)。

（7）查看RouterA的VRRP狀態(tài)

RouterA#show vrrp brief

Interface Grp Pri Time Own Pre state Master addr Group addr

FastEth1/0 50 120 3 - P Master 10.1.1.1 10.1.1.50

從RouterA的顯示信息中可以看出，RouterA的優(yōu)先級(jí)為120，狀態(tài)為Master（主路由器）。

（8）查看RouterB的VRRP狀態(tài)

RouterB#show vrrp brief

Interface Grp Pri Time Own Pre state Master addr Group addr

FastEth1/0 50 120 3 - P Master 10.1.1.1 10.1.1.50

從RouterB的顯示信息中可以看出，RouterB使用默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)100，狀態(tài)為Backup（備用路由器）。

6 結(jié)論（Conclusion）

VRRP作為一種冗余備份解決方案，在共享多路訪問介質(zhì)（如以太網(wǎng)）上提供了網(wǎng)關(guān)的冗余性，使得當(dāng)活動(dòng)網(wǎng)關(guān)發(fā)生故障后，備份網(wǎng)關(guān)能夠進(jìn)行故障切換并接替轉(zhuǎn)發(fā)工作[8]。

VRRP協(xié)議能夠虛擬出邏輯上的路由器。一組VRRP路由器共同工作，一起形成一臺(tái)虛擬路由器。該虛擬路由器對(duì)外可視為一個(gè)具有唯一固定IP地址和MAC地址的邏輯路由器。除此之外為了提高冗余性，避免造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，還可以在VRRP中使用負(fù)載均衡。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 余侃民，鐘赟，孫昱，等.DTN網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2016（07）：148-153.

[2] 葛敬國(guó)，賀鵬，楊建華，等.通用平臺(tái)虛擬路由器轉(zhuǎn)發(fā)性能測(cè)試與改進(jìn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（01）：95-100.

[3] 李江昀，童朝南，孫一康，雙過程機(jī)熱備份集群系統(tǒng)的可信性建模與仿真[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（01）：76-81.

[4] 歐仁輝，齊傳輝，主雪梅.利用VRRP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡[J].河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010（01）：63-65.

[5] 楊華.局域網(wǎng)中虛擬路由器集群的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013（09）： 2070-2073；2080.

[6] 吳乃星，廖建新，王晶.LRV負(fù)載均衡算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（06）：73-78；109.

[7] 張選波.使用多生成樹協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：45-47.

[8] 陳偉旭.基于IPv4的VRRP協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012：21-26.

作者簡(jiǎn)介：

張文川（1981-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù).endprint