VRRP協議是什麼
VRRP是一種容錯協議，它通過把幾臺路由設備聯合組成一臺虛擬的路由設備，並通過一定的機制來保證當主機的下一跳設備出現故障時，可以及時將業務切換到其它設備，從而保持通訊的連續性和可靠性。
VRRP將局域網內的一組路由器劃分在一起，稱爲一個備份組。備份組由一個Master路由器和多個Backup路由器組成，功能上相當於一臺虛擬路由器。局域網內的主機只需要知道這個虛擬路由器的IP地址，並不需知道具體某臺設備的IP地址，將網絡內主機的缺省網關設置爲該虛擬路由器的IP地址，主機就可以利用該虛擬網關與外部網絡進行通信。
VRRP將該虛擬路由器動態關聯到承擔傳輸業務的物理路由器上，當該物理路由器出現故障時，再次選擇新路由器來接替業務傳輸工作，整個過程對用戶完全透明，實現了內部網絡和外部網絡不間斷通信。
VRRP基本概念
概念 | 解釋 |
| VRRP路由器(VRRP Router) | 運行VRRP的設備，它可能屬於一個或多個虛擬路由器。 |
| 虛擬路由器(Virtual Router) | 由VRRP管理的抽象設備，又稱爲VRRP備份組，被當作一個共享局域網內主機的缺省網關。 它包括了一個虛擬路由器標識符和一組虛擬IP地址。 |
| 虛擬IP地址(Virtual IP Address) | 虛擬路由器的IP地址，一個虛擬路由器可以有一個或多個IP地址，由用戶配置。 |
| IP地址擁有者(IP Address Owner) | 如果一個VRRP路由器將虛擬路由器的IP地址作爲真實的接口地址，則該設備是IP地址擁有者。 當這臺設備正常工作時，它會響應目的地址是虛擬IP地址的報文，如ping、TCP連接等。 |
| 虛擬MAC地址 | 是虛擬路由器根據虛擬路由器ID生成的MAC地址。 一個虛擬路由器擁有一個虛擬MAC地址，格式爲：00-00-5E-00-01-{VRID}。 當虛擬路由器迴應ARP請求時，使用虛擬MAC地址，而不是接口的真實MAC地址。 |
| 主IP地址(Primary IP Address) | 從接口的真實IP地址中選出來的一個主用IP地址，通常選擇配置的第一個IP地址。 VRRP廣播報文使用主IP地址作爲IP報文的源地址。 |
| Master路由器(Virtual Router Master) | 是承擔轉發報文或者應答ARP請求的VRRP路由器，轉發報文都是發送到虛擬IP地址的。 如果IP地址擁有者是可用的，通常它將成爲Master。 |
| Backup路由器（Virtual Router Backup） | 一組沒有承擔轉發任務的VRRP路由器，當Master設備出現故障時，它們將通過競選成爲新的Master。 |
| 搶佔模式 | 在搶佔模式下，如果Backup的優先級比當前Master的優先級高，將主動將自己升級成Master。 |
VRRP報文
VRRP控制報文只有一種：VRRP通告(advertisement)。它使用IP多播數據包進行封裝，組地址爲224.0.0.18，發佈範圍只限於同一局域網內。這保證了VRID在不同網絡中可以重複使用。
因爲這份筆記的主要目的是理解keepalived的原理，所以只介紹部分相關字段。
Virtual Rtr ID（VRID）：虛擬路由器ID，取值範圍是1～255。
Priority：發送報文的VRRP路由器在虛擬路由器中的優先級。取值範圍是0～255，其中可用的範圍是1～254。0表示設備停止參與VRRP，用來使備份路由器儘快成爲主路由器，而不必等到計時器超時；255則保留給IP地址擁有者。缺省值是100。
Count IP Addrs：VRRP廣播中包含的虛擬IP地址個數。
IP Address(es)：虛擬路由器IP地址，地址個數是Count IP Addrs的值。
Master路由的選舉
備份組中路由器的優先級：
VRRP根據優先級來確定備份組中每臺路由器的角色（Master路由器或Backup路由器）。優先級越高，則越有可能成爲Master路由器。
當兩臺優先級相同的路由器同時競爭Master時，比較接口IP地址大小。接口地址大者當選爲Master。
VRRP優先級的取值範圍爲0到255（數值越大表明優先級越高），可配置的範圍是1到254，優先級0爲系統保留給路由器主動放棄Master位置時候使用，255則是系統保留給IP地址擁有者使用。若VRRP路由器的IP地址和虛擬路由器的接口IP地址相同，則該VRRP路由器被稱爲該IP地址的所有者；IP地址所有者自動具有最高優先級：255。因此，當備份組內存在IP地址擁有者時，只要其工作正常，則爲Master路由器。
備份組中路由器的工作方式：
非搶佔方式：如果備份組中的路由器工作在非搶佔方式下，則只要Master路由器沒有出現故障，Backup路由器即使隨後被配置了更高的優先級也不會成爲Master路由器。
搶佔方式：如果備份組中的路由器工作在搶佔方式下，它一旦發現自己的優先級比當前的Master路由器的優先級高，就會對外發送VRRP通告報文。導致備份組內路由器重新選舉Master路由器，並最終取代原有的Master路由器。相應地，原來的Master路由器將會變成Backup路由器。Backup路由器接收到VRRP通告報文後，只會將自己的優先級與通告報文中的優先級進行比較，不會比較IP地址，只有自己的優先級大於通告報文中的優先級時，纔會搶佔成爲Master。
初始創建的路由器工作在Backup狀態，通過VRRP報文的交互獲知虛擬路由器中其他成員的優先級：
如果VRRP報文中Master路由器的優先級高於自己的優先級，則路由器保持在Backup狀態；
如果VRRP報文中Master路由器的優先級低於自己的優先級，採用搶佔工作方式的路由器將搶佔成爲Master狀態，週期性地發送VRRP報文，採用非搶佔工作方式的路由器仍保持Backup狀態；
如果在一定時間內沒有收到VRRP報文，則路由器切換爲Master狀態。
由於路由器上備份組的配置不一致、網絡故障等原因造成備份組中存在多個Master路由器時，這些Master路由器會根據優先級和IP地址選舉出一個Master：優先級高的路由器成爲Master；優先級低的成爲Backup；如果優先級相同，則IP地址大的成爲Master。
VRRP定時器
VRRP定時器分爲兩種：VRRP通告報文間隔時間定時器和VRRP搶佔延遲時間定時器。
1）VRRP通告報文時間間隔定時器
VRRP備份組中的Master路由器會定時發送VRRP通告報文，通知備份組內的路由器自己工作正常。
用戶可以通過設置VRRP定時器來調整Master路由器發送VRRP通告報文的時間間隔。如果Backup路由器在等待了3個間隔時間後，依然沒有收到VRRP通告報文，則認爲自己是Master路由器，並對外發送VRRP通告報文，重新進行Master路由器的選舉。
2）VRRP搶佔延遲時間定時器
爲了避免備份組內的成員頻繁進行主備狀態轉換，讓Backup路由器有足夠的時間蒐集必要的信息（如路由信息），Backup路由器接收到優先級低於本地優先級的通告報文後，不會立即搶佔成爲Master，而是等待一定時間——搶佔延遲時間後，纔會對外發送VRRP通告報文取代原來的Master路由器。
Master路由器狀態的通告
Master路由器週期性地發送VRRP報文，在虛擬路由器中公佈其配置信息（優先級等）和工作狀況。Backup路由器通過接收到VRRP報文的情況來判斷Master路由器是否工作正常。
Master路由器主動放棄Master地位（如Master路由器退出虛擬路由器）時，會發送優先級爲0的VRRP報文，致使Backup路由器快速切換變成Master路由器。這個切換的時間稱爲Skew time，計算方式爲：（256－Backup路由器的優先級）/256，單位爲秒。
當Master路由器發生網絡故障而不能發送VRRP報文的時候，Backup路由器並不能立即知道其工作狀況。Backup路由器等待一段時間之後，如果還沒有接收到VRRP報文，那麼會認爲Master路由器無法正常工作，而把自己升級爲Master路由器，週期性發送VRRP報文。如果此時多個Backup路由器競爭Master路由器的位置，將通過優先級來選舉Master路由器。Backup路由器默認等待的時間稱爲Master_Down_Interval，取值爲：（3×VRRP報文的發送時間間隔）＋Skew time，單位爲秒。
在性能不夠穩定的網絡中，Backup路由器可能因爲網絡堵塞而在Master_Down_Interval期間沒有收到Master路由器的報文，而主動搶佔爲Master位置，如果此時原Master路由器的報文又到達了，就會出現虛擬路由器的成員頻繁的進行Master搶佔現象。爲了緩解這種現象的發生，特制定了延遲等待定時器。它可以使得Backup路由器在等待了Master_Down_Interval後，再等待延遲等待時間。如在此期間仍然沒有收到VRRP報文，則此Backup路由器纔會切換爲Master路由器，對外發送VRRP報文。
如果Backup路由器監視Master路由器採用的是具有快速檢測功能的BFD技術。在Backup設備上使用該技術監視Master路由器的狀態，一旦Master路由器發生故障，Backup就可以自動切換成爲新的Master路由器，將切換時間縮短到毫秒級。
VRRP工作原理
參與虛擬路由器的每一臺VRRP路由器，都只有3種VRRP狀態：初始狀態(Initialize)、主控狀態(Master)、備份狀態(Backup)。
VRRP的工作過程爲：
1)路由器使能VRRP功能後，會根據優先級確定自己在備份組中的角色。優先級高的路由器成爲Master路由器，優先級低的成爲Backup路由器。Master路由器定期發送VRRP通告報文，通知備份組內的其他路由器自己工作正常；Backup路由器則啓動定時器等待通告報文的到來。
2)在搶佔方式下，當Backup路由器收到VRRP通告報文後，會將自己的優先級與通告報文中的優先級進行比較。如果大於通告報文中的優先級，則成爲Master路由器；否則將保持Backup狀態。
3)在非搶佔方式下，只要Master路由器沒有出現故障，備份組中的路由器始終保持Master或Backup狀態，Backup路由器即使隨後被配置了更高的優先級也不會成爲Master路由器。
4)如果Backup路由器的定時器超時後仍未收到Master路由器發送來的VRRP通告報文，則認爲Master路由器已經無法正常工作，此時Backup路由器會認爲自己是Master路由器，並對外發送VRRP通告報文。備份組內的路由器根據優先級選舉出Master路由器，承擔報文的轉發功能。
VRRP協議狀態機-初始狀態（Initialize）
如果本地優先級爲255，也就是說自己是IP擁有者路由器，那麼接下來它會：
1）發送VRRP通告報文
2）廣播免費ARP請求報文，內部封裝是虛擬MAC和虛擬IP的對應，有幾個虛擬IP地址，那麼就發送幾個免費ARP請求報文。
3）啓動一個Adver_Timer計時器，初始值爲Advertisement_Interval（缺省是1秒），當該計時器超時後，會發送下一個VRRP通告報文
4）本地VRRP進程將自己切換爲Master路由器
如果本地優先級不是255,，那麼接下來它會：
1）設置Master_Down_Timer計時器等於Master_Down_Interval，也就是主路由器死亡時間間隔，如果此計時器超時，那麼Backup路由器就會宣佈主路由器死亡。其中Master_Down_Interval = （3*Advertisement_Interval）+ Skew_time舉例來說，一個VRRP實例（也就是一個VRRP虛擬器）的優先級是100，報文發送間隔是1秒，那麼Master_Down_Interval = 3*1s + （256-100）/256s = 3.609秒。
2）本地VRRP進程將自己切換爲Backup路由器。
VRRP協議狀態機-備份狀態（Backup）
備份路由器是爲了監控Master路由器的狀態，如果一個VRRP路由器處於此狀態，那麼它會：
1）不響應對虛擬IP地址的ARP請求報文。
2）丟棄幀頭目的MAC地址是虛擬MAC的幀。
3）丟棄IP頭中目的IP地址是虛擬IP的IP包。
如果此時該VRRP路由器收到了一個shutdown事件，那麼它會：
1）取消Master_Down_Timer。
2）轉換爲初始狀態（Initialize state）。
如果Master_Down_Timer超時，那麼該VRRP路由器會執行：
1）發送一個VRRP通告報文。
2）廣播免費ARP請求報文，內部封裝是虛擬MAC和虛擬IP的對應，有幾個虛擬IP地址，那麼就發送幾個免費ARP請求報文。
3）設置Adver_Timer計時器爲Advertisement_Interval（缺省爲1秒）。
4）切換到Master狀態。
如果該Backup狀態的VRRP路由器收到了一個VRRP通告報文：
當該VRRP通告報文的優先級字段爲0時，那麼路由器會將當前的Master_Down_Timer 設置爲Skew_Time。
如果優先級不爲0，並且大於或等於本地優先級，那麼本地路由器會重置Master_Down_Timer計時器並保持Backup狀態。
如果優先級不爲0，並且小於本地優先級，如果開啓了搶佔模式（Preempt mode），那麼該Backup路由器等待指定的搶佔延遲時間後將自己切換爲Master路由器；並執行Master路由器的所有動作；例如：vrrp 1 preempt delay minimum 10，表示等待10秒後切換自己爲Master。
如果優先級不爲0，並且小於本地優先級，如果沒有開啓搶佔模式（Preempt mode），那麼本地路由器保持Backup狀態。
VRRP協議狀態機-主控狀態（Master）
當路由器處於Master狀態時，會進行下面的動作：
響應對虛擬IP地址的ARP請求。
轉發目的MAC地址是虛擬MAC的數據幀。
拒絕目的IP地址是虛擬IP的數據包，除非它是IP地址擁有者（也就是優先級是255的那個路由器）。
如果處於Master狀態的VRRP進程收到了一個shutdown事件，那麼它會：
1）取消Adver_Timer計時器。
2）發送一個優先級字段置零的VRRP通告報文。
3）切換爲初始狀態（Intialize state）。
如果Adver_Timer計時器超時，那麼：
1）發送一個VRRP通告報文。
2）重置Adver_Timer計時器。
如果收到了一個VRRP報文且其優先級爲0，那麼：
1）發送一個VRRP通告報文。
2）重置Adver_Timer計時器。
如果收到了一個VRRP報文且其優先級高於本地優先級，或者收到的VRRP報文優先級等於本地優先級但是主IP地址高於本地的主IP地址，那麼：
1）取消Adver_Timer計時器。
2）設置Master_Down_Timer計時器爲Master_Down_Interval。
3）切換爲Backup狀態。