近期在學習基於keepalived配置主備模式的服務集羣，其中keepalived的實現是基於VRRP協議，因此梳理該篇文章以學習vrrp協議。

1. VRRP協議簡介

1.1 概念

虛擬路由冗餘協議VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）通過把幾台路由設備聯合組成一台虛擬的路由設備，將虛擬路由設備的IP地址作為用户的默認網關實現與外部網絡通信。當網關設備發生故障時，VRRP機制能夠選舉新的網關設備承擔數據流量，從而保障網絡的可靠通信。

1.2 為什麼需要VRRP

VRRP能夠在不改變組網的情況下，採用將多台路由設備組成一個虛擬路由器，通過配置虛擬路由器的IP地址為默認網關，實現默認網關的備份。當網關設備發生故障時，VRRP機制能夠選舉新的網關設備承擔數據流量。從客户的角度來看，在這個過程中服務器沒有發生任何變化，但是實際提供服務的實例卻發生了更改，這種機制保障了網絡的可靠通信。

2. VRRP原理

2.1 VRRP概述

• VRRP路由器（VRRP Router）：運行VRRP協議的設備，它可能屬於一個或多個虛擬路由器。
• 虛擬路由器（Virtual Router）：又稱VRRP備份組，由一個Master設備和多個Backup設備組成，被當作一個共享局域網內主機的缺省網關。
• Master路由器（Virtual Router Master）：承擔轉發報文任務的VRRP設備。
• Backup路由器（Virtual Router Backup）：一組沒有擔任轉發任務的VRRP設備，當Master設備出現故障時，它們將通過競選成為新的Master設備。
• VRID：虛擬路由器的標識。
• 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，由用户配置。
• IP地址擁有者（IP Address Owner）：如果一個VRRP設備將虛擬路由器IP地址作為真實的接口地址，則該設備被稱為IP地址擁有者。如果IP地址擁有者是可用的，通常它將成為Master。
• 虛擬MAC地址（Virtual MAC Address）：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，格式為：00-00-5E-00-01-{VRID}(VRRP for IPv4)；00-00-5E-00-02-{VRID}(VRRP for IPv6)。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。

2.2 VRRP報文分析

2.3 VRRP工作原理

2.3.1 VRRP的三種狀態

VRRP協議中定義了三種狀態機：初始狀態（Initialize）、活動狀態（Master）、備份狀態（Backup）。其中，只有處於Master狀態的設備才可以轉發那些發送到虛擬IP地址的報文。

2.3.2 VRPP的工作過程

• VRRP備份組中的設備根據優先級選舉出Master。Master設備通過發送免費ARP報文，將虛擬MAC地址通知給與它連接的設備或者主機，從而承擔報文轉發任務。
• Master設備週期性向備份組內所有Backup設備發送VRRP通告報文，以公佈其配置信息（優先級等）和工作狀況。
• 如果Master設備出現故障，VRRP備份組中的Backup設備將根據優先級重新選舉新的Master。
• VRRP備份組狀態切換時，Master設備由一台設備切換為另外一台設備，新的Master設備會立即發送攜帶虛擬路由器的虛擬MAC地址和虛擬IP地址信息的免費ARP報文，刷新與它連接的主機或設備中的MAC表項，從而把用户流量引到新的Master設備上來，整個過程對用户完全透明。
• 原Master設備故障恢復時，若該設備為IP地址擁有者（優先級為255），將直接切換至Master狀態。若該設備優先級小於255，將首先切換至Backup狀態，且其優先級恢復為故障前配置的優先級。
• Backup設備的優先級高於Master設備時，由Backup設備的工作方式（搶佔方式和非搶佔方式）決定是否重新選舉Master。

• 搶佔模式：在搶佔模式下，如果Backup設備的優先級比當前Master設備的優先級高，則主動將自己切換成Master。
• 非搶佔模式：在非搶佔模式下，只要Master設備沒有出現故障，Backup設備即使隨後被配置了更高的優先級也不會成為Master設備。

2.3.2.1 master的選舉

VRRP根據優先級來確定虛擬路由器中每台設備的角色（Master設備或Backup設備）。優先級越高，則越有可能成為Master設備。

• 如果VRRP報文中Master設備的優先級高於或等於自己的優先級，則Backup設備保持Backup狀態。
• 如果VRRP報文中Master設備的優先級低於自己的優先級，採用搶佔方式的Backup設備將切換至Master狀態，採用非搶佔方式的Backup設備仍保持Backup狀態。
• 如果多個VRRP設備同時切換到Master狀態，通過VRRP通告報文的交互進行協商後，優先級較低的VRRP設備將切換成Backup狀態，優先級最高的VRRP設備成為最終的Master設備；優先級相同時，VRRP設備上VRRP備份組所在接口主IP地址較大的成為Master設備。
• 如果創建的VRRP設備為IP地址擁有者，收到接口Up的消息後，將會直接切換至Master狀態。

2.3.2.1 master設備的通告

• 當Master設備主動放棄Master地位（如Master設備退出備份組）時，會發送優先級為0的通告報文，用來使Backup設備快速切換成Master設備，而不用等到Master_Down_Interval定時器超時。這個切換的時間稱為Skew time，計算方式為：（256－Backup設備的優先級）/256，單位為秒。
• 當Master設備發生網絡故障而不能發送通告報文的時候，Backup設備並不能立即知道其工作狀況。等到Master_Down_Interval定時器超時後，才會認為Master設備無法正常工作，從而將狀態切換為Master。其中，Master_Down_Interval定時器取值為：3×Advertisement_Interval＋Skew_time，單位為秒。