基于動態(tài)負載均衡的VRRP協(xié)議研究

祝偉華，徐 強

(重慶大學 軟件學院，重慶 400044)

在Internet技術快速發(fā)展的時代，用戶對網(wǎng)絡的依賴程度越來越高，對網(wǎng)絡的恢復性和冗余性的要求也隨之加強。IETF制定了一系列的協(xié)議來增強網(wǎng)絡的可靠性，其中VRRP協(xié)議就是用于在邊緣網(wǎng)絡中，避免在靜態(tài)配置缺省路由器環(huán)境下存在的單點故障的問題。當局域網(wǎng)內(nèi)默認網(wǎng)關出現(xiàn)故障時，在不改變現(xiàn)有組網(wǎng)環(huán)境的前提下，其他設備可以及時地充當網(wǎng)關為用戶服務，保障網(wǎng)絡通信的連續(xù)性。該協(xié)議要求在用戶主機第一跳節(jié)點最少配備2臺設備，其中一臺設備作為Master為用戶轉發(fā)數(shù)據(jù)，另外一臺作為Backup。當Master出現(xiàn)故障時，Backup設備能夠快速地切換為Master，保證路由器間的連通性。但是在這樣配置下，Backup設備在Master設備正常工作時不承擔任何流量轉發(fā)的功能，無法進行流量的負載分擔，極大地浪費資源。本文就是基于該點，設計虛擬轉發(fā)器，在VRRP協(xié)議的基礎上，實現(xiàn)動態(tài)負載分擔，解決Backup設備在空閑狀態(tài)下無法轉發(fā)流量的問題，提高資源的利用率。

1 標準的VRRP協(xié)議與改進的VRRP+協(xié)議的區(qū)別

VRRP的基本原理:若干臺配置VRRP協(xié)議路由器，組成1個虛擬路由器備份組。該備份組對外發(fā)布一個統(tǒng)一的虛擬IP地址，局域網(wǎng)內(nèi)用戶使用虛擬IP地址作為自己的默認網(wǎng)關，其中組內(nèi)路由器時刻扮演著Master和Backup角色。在一個備份組內(nèi)，只有扮演Master角色的設備，負責相應下掛主機的ARP請求和轉發(fā)IP報文，其他設備均處于Backup狀態(tài)，周期性接收Master設備發(fā)送的協(xié)議報文，而且不能參與流量轉發(fā)。在標準的VRRP協(xié)議中，如果要提高資源的利用率，需要在每臺設備上配置多個VRRP備份組，使所有設備都參與流量的轉發(fā)，因此在具有N臺設備的情況下，需要配置N組虛擬路由器，對外發(fā)布N個虛擬IP地址，每臺設備在N個備份組內(nèi)互為Master和Backup設備，負責各自備份組內(nèi)的流量轉發(fā)。雖然配置多個備份組可以實現(xiàn)負載均衡的目的，但是配置過于復雜，必須固定用戶組，每個用戶組需要配備不同的虛擬IP地址，完全依賴用戶的配置，無形中給網(wǎng)絡管理員增加額外的負擔，無法實現(xiàn)動態(tài)負載分擔的功能。

改進的VRRP+協(xié)議正是基于標準VRRP協(xié)議不足而提出的。該協(xié)議只需在局域網(wǎng)中配置一個VRRP備份組，對外發(fā)布一個虛擬IP地址作為默認網(wǎng)關，當下掛主機發(fā)送ARP請求網(wǎng)關MAC時，由備份組內(nèi)的Master設備回應不同的虛擬MAC地址，每個虛擬MAC對應VRRP備份組的不同的設備，從而將不同主機的流量動態(tài)的定向到備份組內(nèi)不同設備上。這種實現(xiàn)無論是對網(wǎng)絡管理員還是用戶來講都是透明的，并且完全可以動態(tài)實現(xiàn)資源優(yōu)化以及負載分擔。

2 VRRP+實現(xiàn)

基于上述想法，通過對VRRP標準協(xié)議報文的研究分析，在原有的VRRP標準協(xié)議報文進行改進，添加Option字段，設計虛擬轉發(fā)器以及相應的狀態(tài)機，增加報文和定時器類型，改進設計報文交互機制，在保證標準VRRP狀態(tài)機的正常報文交互的前提下，達到動態(tài)負載均衡的目的。

2.1 狀態(tài)機

2.1.1 VRRP 協(xié)議管理狀態(tài)機

VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機是成功實現(xiàn)負載均衡的第1步。狀態(tài)機保證備份組內(nèi)設備狀態(tài)正常切換，確定備份組中每臺路由器的各自的地位和職能。Master負責相應用戶主機的ARP請求，Backup設備通過周期性的接收Master設備的Advertise報文，對Master進行監(jiān)控，使整個VRRP組能夠及時的響應下掛主機的ARP請求。

2.1.2 虛擬轉發(fā)狀態(tài)機

標準VRRP狀態(tài)機確定了備份組內(nèi)各個設備的角色，無法實現(xiàn)動態(tài)負載均衡，因此為實現(xiàn)VRRP動態(tài)負載分擔需要設計新的轉發(fā)器和狀態(tài)轉換機制。參考VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機，本轉發(fā)器對應的狀態(tài)機設置Initial、Listen、Active三種狀態(tài)，同時后2種狀態(tài)對應的轉發(fā)器實例稱為BVF和AVF。每個設備對應1個虛擬 MAC，每個虛擬MAC對應1個轉發(fā)器實例。每個設備將自己的MAC對應的轉發(fā)器實例的狀態(tài)設置為Active，并且負責轉發(fā)該Mac對應的流量，同時將備份組內(nèi)其他設備的MAC對應的轉發(fā)器實例狀態(tài)設置為Listen。

2.2 新增報文類型

Advertise Message:在VRRP+備份組內(nèi)的設備，周期性發(fā)送Advertise報文用于通告本路由器上備份組和狀態(tài)機的狀態(tài)，其他設備接收到該報文之后，進行相應的狀態(tài)轉換，包括VRRP狀態(tài)機的Master搶占、虛擬轉發(fā)機的接管等等。與標準VRRP協(xié)議不同的是，在VRRP組內(nèi)無論Master設備還是Backup設備均允許發(fā)送和接收此報文。

Request Message:由于在VRRP+備份組內(nèi)，處于Master設備在應答主機的ARP請求時，需要回應不同的虛擬MAC地址，因此Request報文是由處于Backup狀態(tài)的路由器發(fā)送至Master路由器，請求分配虛擬MAC地址。

Reply Message:Master路由器在接收到 Request報文之后，分配一個當前未曾使用的虛擬MAC地址，并將分配的MAC地址填充到Reply報文的Option字段發(fā)送至Back設備。設備接收到報文之后，創(chuàng)建虛擬MAC地址對應的轉發(fā)機實例，并且設定該虛擬MAC地址對應的轉發(fā)機實例狀態(tài)為Active。

Release Message:當虛擬轉發(fā)機中AVF實例出現(xiàn)故障或者退出，不能在繼續(xù)轉發(fā)流量，接替其轉發(fā)的設備發(fā)送Release報文，通告?zhèn)浞萁M內(nèi)其他設備刪除出現(xiàn)故障的Active實例。

2.3 定時器

ActiveVF Time:搶占定時器。與VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機的Hold_Timer定時器作用類似，是用來設置LVF更新為AVF的時間間隔。該定時器只存在處于Listen狀態(tài)下。

Redirect Timer:重定向定時器。本定時器用于當某個設備上的AVF無法轉發(fā)流量時，通過選舉機制確定備份組內(nèi)某個設備接替其進行流量轉發(fā)，同時開啟重定向定時器。該定時器超時前，Master路由器仍然會采用該 AVF對應的虛擬MAC地址應答主機的ARP請求。待定時器超時之后，Master路由器不再使用AVF對應的MAC進行應答。

TimeOut Timer:生存定時器。與Redirect Timer的工作場景一樣，但是本定時器是用來限制某個設備接替出現(xiàn)故障AVF的工作期限，在定時器超時前，備份組內(nèi)設備都會保留該實例，一旦該定時器超時之后，備份組內(nèi)所有設備刪除該實例，并且不再轉發(fā)目的MAC地址為該VF實例對應的虛MAC地址的報文，需要主機重新進行ARP解析，請求虛擬MAC地址。

RequestMac Timer:請求MAC定時器。當進行完整的VRRP配置之后，VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機由Initial變?yōu)锽ackup狀態(tài)時，設備會向Master發(fā)送Request報文，請求虛擬MAC地址，同時開啟該定時器。在定時器超時前，如果獲取到MAC之后，則創(chuàng)建自己的AVF實例。超時之后，設備的狀態(tài)更新為Initial狀態(tài)。

2.4 VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機狀態(tài)規(guī)則

VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機仍然使用VRRP標準協(xié)議規(guī)定的3種狀態(tài):Initial/Backup/Master。但是為了實現(xiàn)動態(tài)負載分擔，一個接口IP地址唯一標識一個接口，備份組的虛IP地址對應多個轉發(fā)機實例，這些實例需要加入相應的ARP信息，如果用戶希望對網(wǎng)絡設備進行管理，就可能出現(xiàn)控制非期望設備的情況，因此對VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機進行改造，不存在IP地址擁有者，即不存在Initial狀態(tài)直接切換到Master狀態(tài)(圖1)。

圖1 VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機狀態(tài)轉換

下面是管理狀態(tài)機各個狀態(tài)的遷移規(guī)則:

Initial狀態(tài):初始化狀態(tài)。在該狀態(tài)下，VRRP進程已經(jīng)啟動，但是配置不尚未完備。如果VRRP虛IP與接口IP在同一個網(wǎng)段，那么:設備創(chuàng)建Hold_Time定時器，設置為Master_Down_Interval;創(chuàng)建RequestMAC定時器，發(fā)送Request報文，請求虛擬MAC地址;狀態(tài)遷移至Backup狀態(tài)。

Backup狀態(tài):該狀態(tài)下設備存在Hold_time定時器和Hello_Time定時器，如果Hello_Time定時器超時，設備發(fā)送Adevertise報文，報文中攜帶設備上AVF實例信息。如果設備上還沒有創(chuàng)建自己的AVF實例，發(fā)送Request報文，請求虛擬MAC地址，并且設置RequestVF Time定時器。同時接收其他設備發(fā)送的Advertise報文，并根據(jù)報文中攜帶的實例信息，創(chuàng)建備份實例。

如果設備接收Master發(fā)送的VRRP通告報文，當通告報文中的優(yōu)先級字段為零時，設備重置Hold_time定時器值為Skew_Time;當設備開啟搶占模式或通告報文攜帶的優(yōu)先級大于等于設備本地優(yōu)先級時，設備重置Hold_time定時器值為Master_Down_Interal，狀態(tài)保持為Backup狀態(tài)，否則，丟棄報文，等待Hold_Time定時器超時。

如果配置VRRP的接口關閉，那么設備刪除Hold_time定時器和Hello_Time定時器，狀態(tài)更新為Initial。

如果Hold_Time定時器超時，那么設備刪除Hold_time定時器，更新狀態(tài)為Master。

如果Hello_Time定時器超時，那么設備發(fā)送Adevertise報文，狀態(tài)更新為Backup。

Master狀態(tài):該狀態(tài)下設備僅存在Hello_Time定時器，定時器超時時發(fā)送Advertise報文，同時監(jiān)聽下掛主機的ARP請求和其他設備請求虛擬MAC地址的Request報文。當接收到主機發(fā)送的ARP請求時，Master設備根據(jù)負載均衡算法，使用不同的虛擬MAC地址進行回應。當接收到Request報文時，Master設備查看自己的MAC地址池，分配空閑的虛擬MAC地址。

如果配置VRRP的接口關閉，那么設備刪除Hello_Time定時器，并且發(fā)送Advertise報文，報文中攜帶的優(yōu)先級為零，同時更新狀態(tài)為Initial。

如果設備監(jiān)聽到其他設備的Advertise報文攜帶的優(yōu)先級大于等于本地優(yōu)先級(如果優(yōu)先級等于，設備會比較報文中接口的IP地址，大者按照如下規(guī)則轉換，如果小于就丟棄報文)，那么設備創(chuàng)建Hold_time定時器，設置Master超時定時器為Master_Down_Interal，同時更新狀態(tài)為Backup Else設備，直接丟棄報文。

處于Backup狀態(tài)和Master狀態(tài)的設備都會定時發(fā)送Adevertise報文，報文中必須攜帶本設備上AVF實例信息，以便其他設備能夠及時的給予更新。當接收到其他設備發(fā)送的Release報文時，解析出報文中攜帶的VF實例所對應的虛擬MAC地址，并查詢本地實例表，然后刪除相應的轉發(fā)器實例表項，Master回收相應的MAC地址。

2.5 虛擬轉發(fā)器狀態(tài)轉換規(guī)則

Intital狀態(tài):初始化狀態(tài)是由于設備上的虛擬MAC地址沒有下發(fā)到底層驅動，無法接收和發(fā)送任何報文。待VRRP配置完備之后，Inital狀態(tài)向其他狀態(tài)轉換的規(guī)則如下:

如果設備上沒有虛擬轉發(fā)實例(設備的VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機剛由Initial轉換為 Backup)，當設備監(jiān)聽到Master回應的Reply報文時，設備解析Reply報文，提取分配的虛擬MAC地址，創(chuàng)建自己的實例，直接狀態(tài)遷移至 Active，設置優(yōu)先級為255，同時發(fā)送Advertise報文。

如果設備監(jiān)聽到其他設備發(fā)送的Advertise報文，那么設備解析Advertise報文，提取虛擬MAC地址，創(chuàng)建相應的實例，設置優(yōu)先級為127，開啟ActiveVF定時器同時狀態(tài)遷移至Listen。

如果設備上擁有VF實例(此時VRRP配置重新生效，例如權重從下限值以下恢復到下限值以上)，那么設備將自己虛擬MAC對應的VF實例狀態(tài)遷移至Active，同時向驅動下發(fā)虛MAC，將其他的VF實例狀態(tài)遷移至為Listen，并且分別開啟對應的ActiveVF定時器。

Listen狀態(tài):在Listen狀態(tài)下，設備主要是用來備份其他設備的AVF實例信息，當某個設備的AVF不能轉發(fā)流量時，能夠進行選舉及時接管流量，恢復網(wǎng)絡通信。該狀態(tài)下的VF實例是無法進行流量轉發(fā)的。下面是該狀態(tài)向其他狀態(tài)轉換規(guī)則:

如果設備監(jiān)聽到Advertise報文，當報文中VF實例對應的優(yōu)先級為零 時，設備刪除該實例對應的ActiveVF定時器，接口下發(fā)虛MAC地址，同時發(fā)送Hello報文，啟動該VF實例的Redirect定時器和TimeOut定時器，狀態(tài)更新為Active。

如果報文中的VF實例對應的優(yōu)先級高于等于本地優(yōu)先級(如果等于，但是接口IP地址大于本地)，那么設備重置ActiveVF定時器值為VF_Active_Time，狀態(tài)保持為Listen;否則，設備重置ActiveVF定時器值為VF Prempt_Delay_Time，狀態(tài)繼續(xù)保持為Listen。

如果ActiveVF定時器超時，那么設備刪除該VF實例對應的 ActiveVF定時器，接口下發(fā)虛MAC地址，同時發(fā)送Advertise報文，啟動該VF實例的Redirect定時器和TimeOut定時器，狀態(tài)更新為Active。

如果虛擬轉發(fā)器實例的權重下降到下限值以下或接口接收到關閉事件 ，那么設備刪除ActiveVF定時器，狀態(tài)遷移至Initial。

Acitve狀態(tài):在Active狀態(tài)的VF實例能夠轉發(fā)目的MAC地址為該VF實例對應的虛MAC地址報文。下面是該狀態(tài)向其他狀態(tài)轉換規(guī)則:

如果配置VRRP的接口關閉或 VF實例權重下降到下限值以下，那么設備發(fā)送Advertise報文，報文中攜帶優(yōu)先級為零，接口刪除虛擬MAC，狀態(tài)遷移至Initial。

如果TimeOut定時器超時，那么設備發(fā)送Release報文，通知其他設備刪除VF實例，并且從接口上刪除虛 MAC，刪除 Redirect定時器，刪除TimeOut定時器，狀態(tài)先遷移至Initial，然后刪除。

如果設備監(jiān)聽到Hello報文中的VF實例優(yōu)先級大于等于本地優(yōu)先級(優(yōu)先級相等但是接口IP地址大于本地IP地址)，那么設備創(chuàng)建VF Active定時器，從接口上刪除虛MAC，狀態(tài)遷移至Listen。

圖2 VRRP+轉發(fā)器狀態(tài)機狀態(tài)轉換圖(三角)

3 結束語

標準的VRRP協(xié)議之所以不能實現(xiàn)動態(tài)負載分擔，其主要原因是由于一個虛擬IP地址只能對應一個MAC，雖然可以通過設置多個備份組來達到負載均衡的目的，但是需要劃分用戶群，每個用戶群固定用戶數(shù)量，在設備上配備不同的備份組，配置比較負載，不能實現(xiàn)動態(tài)的負載均衡。而本文中提出的VRRP+協(xié)議，可以完美的解決上述的問題，只需要在設備上配置一個備份組，發(fā)布一個虛IP地址，就可以實現(xiàn)動態(tài)負載均衡，方便用戶主機的管理，最大程度上提高了資源利用率，在現(xiàn)在網(wǎng)絡流量激增的時代，具有很大的實用意義。

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