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，稱為一個備份組。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為該虛擬路由器的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

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，組地址為224.0.0.18，發布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復使用。
因為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，用來使備份路由器盡快成為主路由器，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，則越有可能成為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。接口地址大者當選為Master。

VRRP優先級的取值範圍為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為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路由器被稱為該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，則為Master路由器。

備份組中路由器的工作方式：

• 非搶占方式：如果備份組中的路由器工作在非搶占方式下，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為Master路由器。

• 搶占方式：如果備份組中的路由器工作在搶占方式下，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，才會搶占成為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，采用搶占工作方式的路由器將搶占成為Master狀態，周期性地發送VRRP報文，采用非搶占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，則路由器切換為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為Master；優先級低的成為Backup；如果優先級相同，則IP地址大的成為Master。

VRRP定時器
VRRP定時器分為兩種：VRRP通告報文間隔時間定時器和VRRP搶占延遲時間定時器。
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，則認為自己是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搶占延遲時間定時器
為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搜集必要的信息（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，不會立即搶占成為Master，而是等待一定時間——搶占延遲時間後，才會對外發送VRRP通告報文取代原來的Master路由器。

Master路由器狀態的通告
Master路由器周期性地發送VRRP報文，在虛擬路由器中公布其配置信息（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，會發送優先級為0的VRRP報文，致使Backup路由器快速切換變成Master路由器。這個切換的時間稱為Skew time，計算方式為：（256－Backup路由器的優先級）/256，單位為秒。
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，那麽會認為Master路由器無法正常工作，而把自己升級為Master路由器，周期性發送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為Master_Down_Interval，取值為：（3×VRRP報文的發送時間間隔）＋Skew time，單位為秒。
在性能不夠穩定的網絡中，Backup路由器可能因為網絡堵塞而在Master_Down_Interval期間沒有收到Master路由器的報文，而主動搶占為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搶占現象。為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路由器才會切換為Master路由器，對外發送VRRP報文。

如果Backup路由器監視Master路由器采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就可以自動切換成為新的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的工作過程為：

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為Master路由器，優先級低的成為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路由器則啟動定時器等待通告報文的到來。
2)在搶占方式下，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，則成為Master路由器；否則將保持Backup狀態。
3)在非搶占方式下，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為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，則認為Master路由器已經無法正常工作，此時Backup路由器會認為自己是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）

如果本地優先級為255，也就是說自己是IP擁有者路由器，那麽接下來它會：
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，那麽就發送幾個免費ARP請求報文。
3）啟動一個Adver_Timer計時器，初始值為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進程將自己切換為Master路由器

如果本地優先級不是255,，那麽接下來它會：

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，那麽Backup路由器就會宣布主路由器死亡。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，那麽Master_Down_Interval = 3*1s + （256-100）/256s = 3.609秒。

2）本地VRRP進程將自己切換為Backup路由器。

VRRP協議狀態機-備份狀態（Backup）
備份路由器是為了監控Master路由器的狀態，如果一個VRRP路由器處於此狀態，那麽它會：
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，那麽它會：
1）取消Master_Down_Timer。
2）轉換為初始狀態（Initialize state）。

如果Master_Down_Timer超時，那麽該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，那麽就發送幾個免費ARP請求報文。
3）設置Adver_Timer計時器為Advertisement_Interval（缺省為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為0時，那麽路由器會將當前的Master_Down_Timer 設置為Skew_Time。

• 如果優先級不為0，並且大於或等於本地優先級，那麽本地路由器會重置Master_Down_Timer計時器並保持Backup狀態。

• 如果優先級不為0，並且小於本地優先級，如果開啟了搶占模式（Preempt mode），那麽該Backup路由器等待指定的搶占延遲時間後將自己切換為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秒後切換自己為Master。

• 如果優先級不為0，並且小於本地優先級，如果沒有開啟搶占模式（Preempt mode），那麽本地路由器保持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，那麽它會：
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）切換為初始狀態（Intialize state）。

如果Adver_Timer計時器超時，那麽：
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報文且其優先級為0，那麽：
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，那麽：
1）取消Adver_Timer計時器。
2）設置Master_Down_Timer計時器為Master_Down_Interval。
3）切換為Backup狀態。

VRRP協議簡介