基于HSRP和RIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)出口多組負(fù)載均衡

孫 光 懿

(天津音樂(lè)學(xué)院 圖書(shū)信息中心，天津 300171)

0 引 言

隨著“十一五”“十二五”教育信息化的快速發(fā)展，各高校均已建立了自己的校園網(wǎng)并且在教學(xué)、科研、辦公、對(duì)外交流中得到廣泛應(yīng)用。廣大師生對(duì)校園網(wǎng)的依賴程度也逐年提高，日益成為衡量學(xué)校綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。

高校一般采用路由器作為校園網(wǎng)出口設(shè)備，校園網(wǎng)內(nèi)部各VLAN地址段的網(wǎng)關(guān)以及NAT等重要配置均在其上建立，如果校園網(wǎng)出口設(shè)備發(fā)生故障不能正常工作，那么必將造成整個(gè)校園網(wǎng)的癱瘓。HSRP技術(shù)的誕生有效的解決了這一問(wèn)題，通過(guò)建立兩個(gè)及兩個(gè)以上的HSRP組，為不同的VLAN子網(wǎng)提供冗余備份和負(fù)載分擔(dān)，從而保證校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)用戶可以安全穩(wěn)定的對(duì)外網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)。

1 HSRP協(xié)議簡(jiǎn)介

為了實(shí)現(xiàn)路由器的容錯(cuò)備份功能，提高網(wǎng)關(guān)的冗余性，思科公司開(kāi)發(fā)了HSRP(熱備份路由器)協(xié)議。HSRP協(xié)議[1-2]雖然是思科公司開(kāi)發(fā)的私有協(xié)議，但是可以兼容其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，最多支持16個(gè)HSRP組，IOS 版本10.0以上的思科路由器都支持HSRP協(xié)議，在全世界網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛。

要想應(yīng)用HSRP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中必須有多臺(tái)路由器組成一個(gè)HSRP組，通過(guò)共用一個(gè)IP地址和MAC地址的方式，在邏輯上虛擬成為一臺(tái)虛擬路由器，虛擬路由器的IP地址就是該網(wǎng)段主機(jī)的網(wǎng)關(guān)地址。在HSRP組內(nèi)，只有一個(gè)活躍路由器和一個(gè)備用路由器，其他路由器則處于Initial狀態(tài)。活躍路由器負(fù)責(zé)處理虛擬路由器接受到的所有數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)幀，備用路由器則負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)活躍路由器發(fā)出的HELLO消息，一旦監(jiān)聽(tīng)不到活躍路由器發(fā)出的HELLO消息，備用路由器就會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)接替活躍路由器工作。HSRP協(xié)議對(duì)活躍路由器的選擇是由路由器的優(yōu)先級(jí)來(lái)決定的，在HSRP組中哪個(gè)路由器優(yōu)先級(jí)最高哪個(gè)路由器就將成為活躍路由器。在這一過(guò)程中，虛擬路由器機(jī)的IP地址和MAC地址始終沒(méi)有發(fā)生改變。用戶客戶端網(wǎng)絡(luò)配置無(wú)需改變，還可以對(duì)外網(wǎng)進(jìn)行正常訪問(wèn)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

2 RIP協(xié)議簡(jiǎn)介

路由信息協(xié)議(RIP)[3-4]，是一種在中小型網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較為廣泛的距離矢量路由選擇協(xié)議，具有實(shí)施簡(jiǎn)單、開(kāi)銷小的特點(diǎn)。最早由Xerox公司在上世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)是為了解決UNIX系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的問(wèn)題。RIP協(xié)議目前共有三個(gè)版本RIPv1, RIPv2, RIPng。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

為了提高網(wǎng)關(guān)的冗余性和路由器的處理能力，實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)出口多組負(fù)載均衡[5-9]，保證校園網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，我們采用HSRP技術(shù)在校園網(wǎng)出口處部署了兩臺(tái)路由器分別RouterA 和RouterB，承擔(dān)校園網(wǎng)內(nèi)兩個(gè)不同網(wǎng)段VLAN 200和VLAN 201的路由工作。路由器RouterA即是VLAN200的活躍路由器，又是VLAN201的備用路由器。路由器RouterB即是VLAN201的活躍路由器，又是VLAN200的備用路由器。路由器RouterC為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商路由器。交換機(jī)SwitchM1為校園網(wǎng)內(nèi)部交換機(jī)，用于連接終端電腦PC1和PC2，SERVER1為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器。 PC1屬于VLAN200網(wǎng)段，PC2屬于VLAN201網(wǎng)段，兩者均可以對(duì)SERVER1進(jìn)行訪問(wèn)。正常情況下，PC1通過(guò) RouterA進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)SERVER1進(jìn)行訪問(wèn)，PC2通過(guò)RouterB進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)SERVER1進(jìn)行訪問(wèn)。當(dāng)RouterA和RouterB無(wú)論哪一臺(tái)出現(xiàn)故障不能正常工作，另一臺(tái)路由器將承擔(dān)起兩個(gè)網(wǎng)段VLAN200和VLAN201的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)工作，PC1和PC2可以對(duì)SERVER1繼續(xù)訪問(wèn)。校園網(wǎng)出口網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 校園網(wǎng)出口網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4 網(wǎng)絡(luò)具體配置方案

4.1 IP地址規(guī)劃

校園網(wǎng)內(nèi)終端計(jì)算機(jī)PC1屬于VLAN200網(wǎng)段，PC2屬于VLAN201網(wǎng)段，PC1的網(wǎng)關(guān)地址為VLAN 200虛擬網(wǎng)關(guān)地址211.68.200.1，PC2的網(wǎng)關(guān)地址為VLAN 201虛擬網(wǎng)關(guān)地址211.68.201.1，服務(wù)器SERVER 1的網(wǎng)關(guān)地址為互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商路由器C網(wǎng)絡(luò)接口f0/1的地址。校園網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)和運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器IP地址規(guī)劃如表1所示。

表1 校園網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)和運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器IP地址規(guī)劃

在校園網(wǎng)內(nèi)路由器RouterA和RouterB接口f0/0建立子接口，IP地址設(shè)置為校園網(wǎng)內(nèi)部所使用IP地址，路由器RouterA接口Se0/1/0與運(yùn)營(yíng)商路由器RouterC接口Se0/2/0互連，路由器RouterB 接口Se0/2/0與運(yùn)營(yíng)商路由器RouterC接口Se0/3/0互連。路由器接口IP地址規(guī)劃如表2所示。

表2 路由器接口IP地址規(guī)劃

4.2 交換機(jī)端口規(guī)劃

交換機(jī)SwitchM1 端口f0/3屬于VLAN200，端口f0/4屬于VLAN201，端口f0/0和f0/1均設(shè)置為T(mén)RUNK工作模式，分別與校園網(wǎng)內(nèi)路由器RouterA和RouterB接口f0/0連接，具體端口規(guī)劃如表3所示。

表3 交換機(jī)SwitchM1的端口規(guī)劃

4.3 配置路由器接口

對(duì)三臺(tái)路由器分別進(jìn)行接口配置，為實(shí)現(xiàn)VLAN間通信在RouterA和RouterB上應(yīng)用單臂路由技術(shù)創(chuàng)建子接口。RouterB與RouterC的接口配置與RouterA的接口配置相似，在這里不再闡述。

(1)配置路由器 RouterA

RouterA (config)#int f0/0

RouterA(config-if)#int f0/0.1 //創(chuàng)建子接口，子接口編號(hào)為0.1

RouterA(config-subif)#encapsulation dot1Q 200 //在子接口上封裝802.1Q協(xié)議

RouterA(config-subif)#ip add 211.68.200.2 255.255.255.0 //設(shè)置子接口IP

RouterA(config-if)#int f0/0.2 //創(chuàng)建子接口，子接口編號(hào)為0.2

RouterA(config-subif)#encapsulation dot1Q 201 //在子接口上封裝802.1Q協(xié)議

RouterA(config-subif)#ip add 211.68.201.2 255.255.255.0

RouterA (config)#int Serial0/1/0

RouterA(config-if)# ip address 16.1.1.2 255.255.255.252 //設(shè)置接口IP地址與RouterC 接口Serial0/2/0互連

4.4 配置路由器RIP路由

(1)配置路由器 RouterA

RouterA (config)# ROUTE RIP

RouterA (config)#network 16.0.0.0

RouterA (config)#network 211.68.200.0

RouterA (config)#network 211.68.201.0

(2)配置路由器 RouterB

RouterB (config)# ROUTE RIP

RouterB (config)#network 18.0.0.0

RouterB (config)#network 211.68.200.0

RouterB (config)#network 211.68.201.0

(3)配置路由器 RouterC

RouterC (config)# ROUTE RIP

RouterC (config)# network 17.0.0.0

RouterC (config)# network 18.0.0.0

RouterC (config)# network 16.0.0.0

4.5 配置HSRP實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)出口負(fù)載均衡[10-16]

4.5.1配置路由器雙機(jī)熱備

(1)配置路由器 RouterA

RouterA(config-if)#int f0/0.1

RouterA(config-subif)# standby 200 ip 211.68.200.1 //啟動(dòng)HSRP，設(shè)置VLAN200的虛擬地址為211.68.200.1，HSRP組號(hào)為200

RouterA(config-if)#int f0/0.2

RouterA(config-subif)# standby 201 ip 211.68.201.1 //啟動(dòng)HSRP，設(shè)置VLAN201的虛擬地址為211.68.201.1，HSRP組號(hào)為201

(2)配置路由器 RouterB

RouterB(config-if)#int f0/0.1

RouterB(config-subif)# standby 200 ip 211.68.200.1 //啟動(dòng)HSRP，設(shè)置VLAN200的虛擬地址為211.68.200.1，HSRP組號(hào)為200

RouterB(config-if)#int f0/0.2

RouterB(config-subif)# standby 201 ip 211.68.201.1 //啟動(dòng)HSRP，設(shè)置VLAN201的虛擬地址為211.68.201.1，HSRP組號(hào)為201

由此可見(jiàn)RouterA和RouterB同在HSRP 200組內(nèi)和HSRP 201組內(nèi)，相同HSRP組號(hào)的路由器虛擬地址也是一樣的。如果不指定虛擬地址，兩臺(tái)路由器將不會(huì)參加備份。

4.5.2配置HSRP優(yōu)先級(jí)

在HSRP組中優(yōu)先級(jí)[10-13]最高的路由器才會(huì)成為活躍路由器，并且活躍路由器只有一臺(tái)。路由器優(yōu)先級(jí)的默認(rèn)值為100，最高到255，如果出現(xiàn)兩臺(tái)路由器優(yōu)先級(jí)相同的情況，哪個(gè)路由器的IP地址更高，哪個(gè)路由器就成為活躍路由器。

(1)配置路由器 RouterA

RouterA(config-subif)# standby 200 priority 110 // RouterA屬于HSRP 200組且優(yōu)先級(jí)為110

RouterA(config-subif)# standby 201 priority 105 //RouterA 屬于HSRP 201組且優(yōu)先級(jí)為105

(2)配置路由器 RouterB

RouterB(config-subif)# standby 200 priority 105 // RouterB屬于HSRP 200組且優(yōu)先級(jí)為105

RouterB(config-subif)# standby 201 priority 110 //RouterB 屬于HSRP 201組且優(yōu)先級(jí)為110

4.5.3在路由器中配置搶占特性

只有在路由器上設(shè)置搶占特性，優(yōu)先級(jí)最高的路由器才能成為活躍路由器。如果沒(méi)有設(shè)置搶占特性，在備用路由器中啟動(dòng)最快的路由器將成為活躍路由器，不論它的優(yōu)先級(jí)高低與否。

(1)配置路由器 RouterA

RouterA(config-subif)# standby 200 preempt //允許RouterA在優(yōu)先級(jí)最高時(shí)，成為HSPR組200的活躍路由器

RouterA(config-subif)# standby 201 preempt //允許RouterA在優(yōu)先級(jí)最高時(shí)，成為HSPR組201的活躍路由器

(2)配置路由器 RouterB

RouterB(config-subif)# standby 200 preempt //允許RouterB在優(yōu)先級(jí)最高時(shí)，成為HSPR組200的活躍路由器

RouterB(config-subif)# standby 201 preempt //允許RouterB在優(yōu)先級(jí)最高時(shí)，成為HSPR組201的活躍路由器

通過(guò)配置搶占特性，由于在HSRP 200組中RouterA的優(yōu)先級(jí)110> RouterB的優(yōu)先級(jí)105，在HSRP 201組中RouterB的優(yōu)先級(jí)110> RouterA的優(yōu)先級(jí)105。實(shí)現(xiàn)了RouterA即是HSRP 200組中的活躍路由器，又是HSRP 201組中的備用路由器，路由器RouterB即是HSRP 201組中的活躍路由器，又是HSRP 200組中的備用路由器。

4.5.4配置路由器接口跟蹤

在路由器上啟用接口跟蹤[13-16]，主要是為了保證當(dāng)路由器的重要接口(如上行鏈路接口)出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，路由器的HSRP可自動(dòng)降低優(yōu)先級(jí)值并發(fā)送Hello消息，這時(shí)備用路由器具有更高的優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)由備用路由器接替，從而確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定。當(dāng)被跟蹤的接口出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，路由器的HSRP優(yōu)先級(jí)默認(rèn)降低10。

(1)配置路由器 RouterA

RouterA(config)#int f0/0

RouterA(config-if)#int f0/0.1

RouterA(config-subif)# standby 200 track serial0/1/0 //在路由器RouterA HSRP 200組上對(duì)其上行接口Se0/1/0啟用接口跟蹤，當(dāng)此接口出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，HSRP 200組優(yōu)先級(jí)降低10變?yōu)?00，由于配置了搶占特性，備用路由器RouterB成為活躍路由器，直到此接口恢復(fù)正常工作。

在路由器RouterA HSRP 201組上沒(méi)有對(duì)上行接口Se0/1/0啟用接口跟蹤，因?yàn)槁酚善鱎outerA 只是HSRP 201組的備用路由器，即使上行接口Se0/1/0出現(xiàn)故障，RouterA也比RouterB 優(yōu)先級(jí)低，因此也不需要啟用接口跟蹤。

(2)配置路由器 RouterB

RouterB(config)#int f0/0

RouterB(config-if)#int f0/0.1

RouterB(config-subif)# standby 201 track serial0/2/0 //在路由器RouterB HSRP 201組上對(duì)其上行接口Se0/2/0啟用接口跟蹤，當(dāng)此接口出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，HSRP 201組優(yōu)先級(jí)降低10變?yōu)?00，由于配置了搶占特性，備用路由器RouterA成為活躍路由器，直到此接口恢復(fù)正常工作。

5 網(wǎng)絡(luò)效果檢查、測(cè)試

5.1 在路由器工作正常的情況下

在這里我們分別查看路由器RouterA和路由器RouterB應(yīng)用HSRP協(xié)議以后的工作狀態(tài)，以及PC1訪問(wèn)SERVER1數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程和PC2訪問(wèn)SERVER1數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。

(1)查看路由器 RouterA HSRP協(xié)議工作狀態(tài)

RouterA#sh standby brief

Interface Grp Pri P State Active Standby Virtual IP

f0/0.1 200 110 P Active local 211.68.200.3 211.68.200.1

f0/0.2 201 105 P Standby 211.68.201.3 local 211.68.201.1

(2)查看路由器 RouterB HSRP協(xié)議工作狀態(tài)

RouterB#sh standby brief

Interface Grp Pri P State Active Standby Virtual IP

f0/0.1 200 105 P Standby 211.68.200.2 local 211.68.200.1

f0/0.2 201 110 P Active local 211.68.201.2 211.68.201.1

(3) PC1訪問(wèn)SERVER1數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

PC1>trace 17.1.1.2

Tracing route to 17.1.1.2 over a maximum of 30 hops:

1 0 ms 0 ms 0 ms 211.68.200.2

2 1 ms 1 ms 1 ms 16.1.1.1

3 1 ms 0 ms 0 ms 17.1.1.2

(4) PC2訪問(wèn)SERVER1數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

PC2>trace 17.1.1.2

Tracing route to 17.1.1.2 over a maximum of 30 hops:

1 0 ms 0 ms 0 ms 211.68.201.3

2 1 ms 1 ms 1 ms 18.1.1.1

3 1 ms 0 ms 0 ms 17.1.1.2

經(jīng)以上測(cè)試，證實(shí)路由器RouterA 即是HSRP 200組中的活躍路由器，又是HSRP 201組中的備用路由器，路由器RouterB即是HSRP 201組中的活躍路由器，又是HSRP 200組中的備用路由器。PC1訪問(wèn)外網(wǎng)服務(wù)器SERVER1數(shù)據(jù)包由路由器RouterA進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，PC2訪問(wèn)外網(wǎng)服務(wù)器SERVER1數(shù)據(jù)包由路由器RouterB進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)應(yīng)用HSRP協(xié)議，兩臺(tái)路由器都參與校園網(wǎng)數(shù)據(jù)包的處理且互為備份，校園網(wǎng)網(wǎng)關(guān)冗余性不僅得到了提高而且也實(shí)現(xiàn)了校園網(wǎng)出口多組負(fù)載均衡。

5.2 在路由器出現(xiàn)故障的情況下

我們?cè)谶@里測(cè)試一下當(dāng)路由器RouterA連接RouterC的接口Se0/1/0 DOWN掉的情況下，路由器的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)哪些變化。

RouterA(config)#int Se0/1/0

RouterA(config-if)#shutdown //關(guān)閉路由器RouterA Se0/1/0接口

(1)RouterA的運(yùn)行變化

*Mar 1 03:02:46.191: %TRACKING-5-STATE: 1 interface Se0/1/0 line-protocol Up->Down

*Mar 1 03:02:47.819: %HSRP-5-STATECHANGE: FastEthernet0/0.1 Grp 200 state Active-> Speak

*Mar 1 03:02:57.823: %HSRP-5-STATECHANGE: FastEthernet0/0.1 Grp 200 state Speak-> Standby

RouterA#sh standby brief

Interface Grp Prio P State Active Standby Virtual IP

Fa0/0.1 200 100 P Standby 211.68.200.3 local 211.68.200.1

Fa0/0.2 201 105 P Standby 211.68.201.3 local 211.68.201.1

RouterA 原先是HSRP 200組中的活躍路由器，由于我們啟用了接口跟蹤，當(dāng)DOWN掉接口Se0/1/0以后，RouterA的優(yōu)先級(jí)從110默認(rèn)降低10變?yōu)?00，成為HSRP 200組中的備用路由器。

(2)RouterB的運(yùn)行變化

*Mar 1 03:02:58.638: %HSRP-5-STATECHANGE: FastEthernet0/0.1 Grp 200 state Standby-> Active

RouterB#sh standby brief

Interface Grp Prio P State Active Standby Virtual IP

Fa0/0.1 200 105 P Active local 211.68.200.2 211.68.200.1

Fa0/0.2 201 110 P Active local 211.68.201.2 211.68.201.1

在HSRP 200組中 RouterB優(yōu)先級(jí)105>RouterA的優(yōu)先級(jí)100， RouterB成為HSRP 200組和HSRP 201組的活躍路由器。

(3) PC1訪問(wèn)SERVER1數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

PC1>trace 17.1.1.2

Tracing route to 17.1.1.2 over a maximum of 30 hops:

1 0 ms 0 ms 0 ms 211.68.200.3

2 1 ms 1 ms 1 ms 18.1.1.1

3 1 ms 0 ms 0 ms 17.1.1.2

由于RouterB已是HSRP 200組新的活躍路由器，當(dāng)PC1訪問(wèn)SERVER1的時(shí)候，數(shù)據(jù)包改由RouterB來(lái)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。

(4) PC2訪問(wèn)SERVER1數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

PC2>trace 17.1.1.2

Tracing route to 17.1.1.2 over a maximum of 30 hops:

1 0 ms 0 ms 0 ms 211.68.201.3

2 1 ms 1 ms 1 ms 18.1.1.1

3 1 ms 0 ms 0 ms 17.1.1.2

由于RouterB一直是HSRP 201組的活躍路由器， 當(dāng)PC2訪問(wèn)SERVER1的時(shí)候，數(shù)據(jù)包仍由RouterB來(lái)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。

經(jīng)以上測(cè)試，證實(shí)在HSRP200組中當(dāng)活躍路由器RouterA出現(xiàn)故障的情況下，備用路由器RouterB會(huì)立即接替活躍路由器工作，成為HSRP200組和HSRP201組的活躍路由器。PC1和PC2還可以對(duì)外網(wǎng)服務(wù)器SERVER1進(jìn)行正常訪問(wèn)，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)均由路由器RouterB來(lái)完成，絲毫沒(méi)有受到路由器RouterA故障的影響，從而保證了校園網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定。

6 結(jié) 語(yǔ)

校園網(wǎng)出口設(shè)備是校園網(wǎng)的核心，能否安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)校園網(wǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本文著重介紹了應(yīng)用HSRP和RIP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)出口多組負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，即使有校園網(wǎng)出口設(shè)備出現(xiàn)故障，校園網(wǎng)內(nèi)用戶還可以正常訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)資源。

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