GLBP和SLA協議實現多出口校園網高可靠性

孫光懿，　郭建忠

(1. 天津音樂學院 圖書信息中心， 天津 300171； 2. 天津科技大學 信息化建設與管理辦公室， 天津 300222)

0　引　言

隨著網絡技術日新月異地發展，各高校校園網規模呈現出逐年擴大的趨勢，校園網能否安全穩定運行直接關系到學校的穩定和廣大師生的切身利益。

目前，多數高校校園網出口均引入了多條ISP出口線路，出口帶寬有了很大提高，但是網絡不穩定的現象時有發生，校園網用戶滿意度不高。構建一個高可靠性的校園網，使廣大師生可以全年不間斷的正常訪問互聯網，已成為各高校急需解決的難題。為了有效解決這一難題，我們提出了將多臺路由器部署在網絡出口處，各路由器之間應用網關負載均衡協議(GLBP)[1-2]并分別啟用服務等級協議(SLA)的解決方案。GLBP協議主要用來實現校園網內三層網關的冗余和流量負載均衡[3-8]。不僅強壯性高而且應用配置也相對簡單便捷，最關鍵的一點它可以更加靈活的進行負載分擔配置，無需像HSRP協議和VRRP協議那樣需要組建多個組，并讓用戶指向不同網關才可以實現負載分擔，在一定程度上減少了網絡管理者的工作強度，同時也減少了配置過程中出錯的幾率。SLA協議主要用來監控ISP接入路由器的可用性。

1　相關技術

1.1　GLBP協議簡介

GLBP是由思科公司在2005年提出的私有協議，目前廣泛應用在3層網絡設備中，用來彌補HSRP協議在負載均衡和安全性方面的不足。GLBP協議工作原理和HSRP協議頗有類似之處，但是GLBP協議更能充分利用網絡設備資源，組中的每個路由器都可以進行數據包轉發，而HSRP協議只能由活動路由器進行數據包轉發，其他路由器并不參與數據包的轉發。GLBP協議支持MD5密鑰認證并最多可支持建立1 024個組，組中成員之間通過向組播地址224.0.0.12每間隔3 s發送一次HELLO數據包來進行通信，以便確定AVG狀態是否可用。每個組中只能擁有一個AVG，但是AVF最多可以擁有4個。組中具有最高優先級的路由器將成為AVG，(路由器的優先級從0-255，默認情況下為100)如果組中存在優先級相同的路由器，那么具有最高IP地址的路由器就會被選為AVG,如果AVG發生故障不能正常工作，優先級次之的備用路由器就會接替工作成為新的AVG，從而實現網關的冗余。AVG不承擔數據包轉發的職責，其主要任務就是為組內每個AVF分配虛擬MAC地址，并時刻檢測來自客戶端對網關的ARP請求。當AVG收到來自客戶端對網關的ARP請求后，依據負載均衡策略，選擇不同AVF的MAC地址回復給客戶端，以此讓組內的每一個AVF都參與數據包的轉發，從而實現負載均衡。AVF的主要任務就是對發送到此MAC地址的數據包進行轉發，具體每個AVF轉發數據包的比例可以由權重值大小來決定。

1.2　SLA協議簡介

SLA為用戶提供測試網絡服務是否安全可靠、實時可達的一種反饋機制，其工作原理就是通過向支持IP協議的網絡設備發送測試數據報文，并對網絡性能(UDP響應時間、丟包率、抖動、連通性)進行充分分析，使用戶對網絡服務故障具有一定的研判能力，從而可以提前采取應對措施，保證網絡安全可靠運行。

2　網絡拓撲設計

為了保證校園網能夠安全穩定運行，提高用戶對網絡服務的滿意度，我們為校園網引入了兩條互聯網出口線路(教育網和中國聯通)，二者互為備份。其中R1路由器為教育網接入路由器，R2路由器為中國聯通接入路由器，無論哪一條出口線路出現網絡故障，都不會影響校園網用戶對INTERNET的正常訪問。R3、R4為部署在校園網出口的兩臺思科3700路由器，SW1和SW2分別為連接路由器R3和路由器R4的2層交換機。校園網內共設置有VLAN50、VLAN60兩個網段，分屬于兩個網段的終端設備可以互連互通，其中C1與C3為VLAN50網段終端計算機，C2與C4為VLAN60網段終端計算機。

路由器R3、R4之間應用GLBP協議并在兩臺路由器上分別啟用SLA[9-12]，對ISP接入路由器的可用性進行不間斷探測，以提高校園網對網絡故障的自適應性。在網絡正常情況下，路由器R3和路由器R4組成一個GLBP組，具有最高優先級的路由器R3成為AVG，優先級次之的路由器R4成為備用AVG。路由器R3負責虛擬MAC地址的分發，并對校園網用戶ARP請求做出應答。路由器R3、R4均為AVF，都參與數據包的轉發，且轉發流量比為1∶1。路由器R3即為轉發者2的活動路由器又為轉發者1的備用路由器，路由器R4即為轉發者1的活動路由器又為轉發者2的備用路由器。換句話說，當校園網用戶將流量發送到轉發者1的MAC地址時，流量由路由器R4來進行處理。當校園網用戶將流量發送到轉發者2的MAC地址時，流量由路由器R3來進行處理。以校園網VLAN50網段的終端計算機C1與C3為例，C1訪問INTERNET資源，數據包首先經校園網出口路由器R3 進行轉發，再經教育網到達目的地址。C4訪問INTERNET資源，數據包首先經校園網出口路由器R4進行轉發，再經中國聯通網絡到達目的地址。

當路由器R3或教育網接入路由器R1不能正常工作時，路由器R3的權重值會下降到低門限值以下，不再參與數據包的轉發，路由器R4將獨自承擔起轉發數據包的任務。同理當路由器R4或中國聯通接入路由器不能正常工作時，路由器R4的權重值也會下降到低門限值以下，也將不再參與數據包的轉發，路由器R3將獨自承擔起轉發數據包的任務。校園網用戶在整個網絡故障處理過程中，不會感到有斷網現象的發生，還可以正常訪問INTERNET資源,從而實現校園網的高可靠性。校園網出口網絡拓撲如圖1所示。

圖1　校園網出口網絡拓撲圖

3　網絡具體配置方案

3.1　IP地址的分配

在ISP接入路由器R1、R2上分別建立LOOPBACK回環接口，在校園網出口路由器R3、R4上分別建立邏輯接口。建立回環接口的目的，主要用于模擬公網DNS地址。建立邏輯接口的目的：① 為了使校園網內VLAN50和VLAN60兩個網段之間能夠實現互連互通；② 為了節省路由器R3、R4的可用接口。另將校園網內SW1和SW2兩臺2層交換機的f0/1接口劃分到VLAN50網段，f0/2接口劃分到VLAN60網段，用于與4臺終端計算機(C1、C2、C3、C4)相連，終端計算機C1與C3網關地址為VLAN50虛擬網關IP地址192.168.50.1，終端計算機C2與C4網關地址為VLAN60虛擬網關IP地址192.168.60.1。網絡設備接口及IP地址分配如表1所示。

表1　網絡設備接口及IP地址分配

3.2　路由器接口配置

在路由器R3、R4上應用單臂路由技術分別建立兩個邏輯接口，邏輯接口的數據在鏈路上傳輸時采用802.1q協議進行封裝，封裝以后的每個邏輯接口對應一個VLAN。(路由器 R1、路由器R2以及路由器 R3的接口配置與路由器R4接口配置類似，故省略。)

(1) 配置路由器 R4

R4(config)#int s1/0

R4(config-if)#no shut

R4(config-if)#ip address 202.59.55.30 255.255.255.0 //此地址用于與中國聯通接入路由器R2互聯

R4(config-if)#exit

R4(config)#int f0/0

R4(config-if)#no shut //啟用校園網接口f0/0

R4(config-if)#int f0/0.1 //建立邏輯接口

R4(config-subif)#encapsulationdot1Q 50 //在此邏輯接口上封裝802.1Q協議

R4(config-subif)#ip add 192.168.50.3 255.255.255.0 //設置邏輯接口地址

R4(config-if)#int f0/0.2 //建立邏輯接口

R4(config-if)#encapsulationdot1Q 60 //在此邏輯接口上封裝802.1Q協議

R4(config-subif)#ip add 192.168.60.3 255.255.255.0 //設置邏輯接口地址

3.3　配置NAT地址轉換

為了保護校園網內網的安全性和避免來自Internet的網絡攻擊，將校園網內VLAN50、VLAN60兩個網段均設置為私網網段。校園網用戶進行互聯網訪問時，在路由器R3、R4上應用NAT技術將其私網IP地址轉換為ISP服務商提供的公網IP地址[13]，從而實現校園網用戶對互聯網資源的正常訪問。(路由器R4的NAT配置與路由器R3的NAT配置類似，故省略。)

(1) 在路由器R3上配置NAT

R3(config-if)#interface f0/0.1 //建立邏輯接口

R3(config-subif)#ip nat inside

R3(config-if)#interface f0/0.2 //建立邏輯接口

R3(config-subif)#ip nat inside

R3(config-if)#exit //返回全局配置模式

R3(config)#interface s1/0

R3(config-if)#ip nat outside

R3(config-if)#exit

R3(config)#access-list 4 permit any //建立訪問控制列表4，允許任何來自內網接口的地址都可以被轉換

R3(config)#ip nat pool cernet 211.68.191.3 211.68.191.33 netmask 255.255.255.0 //建立名為cernet的地址轉換池

R3(config)#ip nat inside source list 4 pool cernetoverload ∥定義NAT工作方式為PAT

3.4　配置路由

由于已在路由器R3、R4上應用NAT技術并且現實中ISP接入路由器R1、R2的路由表中只允許存在到公網地址的路由條目，因此只需為路由器R3、R4配置網絡開銷小、可信度高、運行更為安全穩定的靜態路由即可[14-16]。

(1)配置路由器R3路由

R3(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 211.68.191.1 //數據包的下一跳指向教育網接入路由器R1的接口地址

(2) 配置路由器R4路由

R4(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 202.59.55.31 //數據包的下一跳指向中國聯通接入路由器R2的接口地址

3.5　配置SLA

通常情況下，當ISP接入路由器R1或R2發生網絡故障，在校園網出口路由器R3與R4之間運行的GLBP協議是無法覺察到這種故障發生的，數據包繼續由原先選舉出的AVF進行轉發，這樣必然會造成一部分校園網用戶無法對互聯網進行正常訪問。通過在路由器R3、R4上配置SLA，并與跟蹤對象相關聯,分別實時監控到公網DNS 8.8.8.8.8的連通性，當其發生故障時，可以使GLBP協議對AVF的選舉及時做出調整，以保證校園網用戶可以正常訪問互聯網。

(1)在路由器R3上配置SLA

R3(config)#ip sla monitor 11

R3(config-sla-monitor)#type echo protocol ipIcmpEcho 8.8.8.8 //配置檢控公網DNS 8.8.8.8

R3(config-sla-monitor-echo)#frequ 5//配置監控時間頻率

R3(config-sla-monitor-echo)#timeout 600 //配置監控超時時間

R3(config)#ip sla monitor schedule 11 life forever start-time now //立即開始監控，并永遠有效

(2) 在路由器R4上配置SLA

R4(config)#ip sla monitor 12

R4(config-sla-monitor)#type echo protocol ipIcmpEcho 8.8.8.8 //配置監控公網DNS 8.8.8.8

R4(config-sla-monitor-echo)#frequ 5 //配置監控時間頻率

R4(config-sla-monitor-echo)#timeout 600 //配置監控超時時間

R4(config)#ip sla monitor schedule 12 life forever start-time now //立即開始監控，并永遠有效

3.6　配置GLBP

3.6.1配置網關冗余

GLBP 50組的虛擬IP地址即為校園網VLAN50網段網關地址，GLBP 60組的虛擬IP地址即為校園網VLAN60網段網關地址。

(1) 配置路由器R3

R3(config-if)#int f0/0.1

R3(config-if)#glbp 50 ip 192.168.50.1 //運行GLBP協議，定義GLBP 50組虛擬IP地址為192.168.50.1

R3(config-if)#glbp 50 name z50 //配置GLBP組名

R3(config-if)#glbp 50 timers 3 10 //配置GLBP的Hello時間和Hold時間

R3(config-if)#int f0/0.2

R3(config-if)#glbp 60 ip 192.168.60.1 //運行GLBP協議，定義GLBP 60組虛擬IP地址為192.168.60.1

R3(config-if)#glbp 60 name z60 //配置GLBP組名

R3(config-if)#glbp 60 timers 3 10 //配置GLBP的Hello時間和Hold時間

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#int f0/0.1

R4(config-if)#glbp 50 ip 192.168.50.1 //運行GLBP協議，定義GLBP 50組虛擬IP地址為192.168.50.1

R4(config-if)#glbp 50 name z50 //配置GLBP組名

R4(config-if)#glbp 50 timers 3 10 //配置GLBP的Hello時間和Hold時間

R4(config-if)#glbp 60 ip 192.168.60.1 //運行GLBP協議，定義GLBP 60組虛擬IP地址為192.168.60.1

R4(config-if)#glbp 60 name z60 //配置GLBP組名

R4(config-if)#glbp 60 timers 3 10 //配置GLBP的Hello時間和Hold時間

3.6.2配置優先級和搶占

GLBP協議AVG的選舉是由組內各路由器的優先級所決定的，優先級最高的路由器將會成為AVG。由于路由器R3在GLBP50、GLBP60組中的優先級均為240，而路由器R4在GLBP50、GLBP60組中的優先級均為230，因此路由器R3成為GLBP50、GLBP60組中的AVG,負責虛擬MAC地址的分發，并監聽來自校園網用戶的ARP請求。另外開啟GLBP協議的搶占功能，可以保證當AVG路由器出現故障，備用AVG路由器可以成為新的AVG路由器，默認情況下為關閉狀態。

(1)配置路由器R3

R3(config-if)#int f0/0.1

R3(config-if)#glbp 50 priority 240

R3(config-if)#glbp 50 preempt

R3(config-if)#glbp 50 preempt delay minimum 3 //配置搶占延時時間

R3(config-if)#int f0/0.2

R3(config-if)#glbp 60 priority 240

R3(config-if)#glbp 60 preempt

R3(config-if)#glbp 60 preempt delay minimum 3 //配置搶占延時時間

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#int f0/0.1

R4(config-if)#glbp 50 priority 230

R4(config-if)#glbp 50 preempt

R4(config-if)#glbp 50 preempt delay minimum 3 //配置搶占延時時間

R4(config-if)#int f0/0.2

R4(config-if)#glbp 60 priority 230

R4(config-if)#glbp 60 preempt

R4(config-if)#glbp 60 preempt delay minimum 3 //配置搶占延時時間

3.6.3配置權重值和門限值

路由器權重值的大小決定了GLBP組內AVF轉發流量的比例,當權重值低于低門限值時，那么這臺路由器將不在進行數據包轉發，直到權重值的大小恢復到高門限值以后，這臺路由器才會再次進行數據包的轉發。

(1) 配置路由器R3

R3(config-if)#glbp 50 weighting 220 lower 190 upper 200 //設置路由器的權重值為220，最低門限值為190，高門限值為200

R3(config-if)#glbp 50 forwarder preempt //配置該路由器會搶占成為AVF

R3(config-if)#glbp 50 forwarder preempt delay minimum 20 //設置搶占AVF的時間為20 s

R3(config-if)#glbp 60 weighting 220 lower 190 upper 200 //設置路由器的權重值為220，最低門限值為190，高門限值為200

R3(config-if)#glbp 60 forwarder preempt //配置該路由器會搶占成為AVF

R3(config-if)#glbp 60 forwarder preempt delay minimum 20 //設置搶占AVF的時間為20 s

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#glbp 50 weighting 220 lower 190 upper 200 //設置路由器的權重值為220，最低門限值為190，高門限值為200

R4(config-if)#glbp 50 forwarder preempt //配置該路由器會搶占成為AVF

R4(config-if)#glbp 50 forwarder preempt delay minimum 20 //設置搶占AVF的時間為20 s

R4(config-if)#glbp 60 weighting 220 lower 190 upper 200 //設置路由器的權重值為220，最低門限值為190，高門限值為200

R4(config-if)#glbp 60 forwarder preempt //配置該路由器會搶占成為AVF

R4(config-if)#glbp 60 forwarder preempt delay minimum 20 //設置搶占AVF的時間為20 s

3.6.4配置跟蹤對象

在GLBP組中配置跟蹤對象有助于增強網絡的可靠性，當所跟蹤的對象發生網絡故障，相應路由器的權重值會按照預先設定值降低。

(1) 配置路由器R3

R3(config)#track 100 rtr 11 reachability //關聯監控對象

R3(config-if)#glbp 50 weighting track 100 decrement 60 //配置跟蹤目標100,當不能正常訪問公網DNS地址8.8.8.8時，權重值減60，此時路由器R3權重值變為160

R3(config-if)#glbp 60 weighting track 100 decrement 60

(2) 配置路由器R4

R4(config)#track 110 rtr 12 reachability //關聯監控對象

R4(config-if)#glbp 50 weighting track 110 decrement 60 //配置跟蹤目標110,當不能訪問公網DNS地址8.8.8.8時，權值重減60，此時路由器R4權重值變為160

R4(config-if)#glbp 60 weighting track 110 decrement 60

3.6.5配置負載均衡

采用輪詢負載均衡策略，AVG每響應一次校園網用戶的ARP請求，就會為其輪換一個AVF的MAC地址，作為其默認網關的MAC地址返回給用戶。即使校園網用戶配置了相同的默認網關地址，數據包的下一跳設備也將不會相同。

(1) 配置路由器R3

R3(config-if)#glbp 50 load-balancing round-robin //采用輪詢負載均衡策略

R3(config-if)#glbp60 load-balancing round-robin //采用輪詢負載均衡策略

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#glbp 50 load-balancing round-robin //采用輪詢負載均衡策略

R4(config-if)#glbp60 load-balancing round-robin //采用輪詢負載均衡策略

4　網絡測試

4.1　網絡正常情況下

在這里選擇vlan 50網段所屬計算機C1和 C3，對公網DNS地址8.8.8.8進行訪問測試，并以GLBP 50組為例查看路由器R3、R4上GLBP協議的工作狀態。

(1) 從計算機C1對公網DNS地址8.8.8.8進行訪問測試

VPCS[1]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=99.006 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=67.004 ms

VPCS[1]〉 sh arp

00:07:b4:00:32:02 192.168.50.1 expires in 108 seconds

VPCS[1]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.2 67.004 ms 9.001 ms 9.000 ms

2 211.68.191.1 128.008 ms

(2) 從計算機C3對公網DNS地址8.8.8.8進行訪問測試

VPCS[3]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=119.006 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=66.004 ms

VPCS[3]〉 sh arp

00:07:b4:00:32:01 192.168.50.1 expires in 110 seconds

VPCS[3]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.3 70.004 ms 9.001 ms 9.001 ms

2 202.59.55.31 157.009 ms

(3) 路由器R3上GLBP協議工作狀態見圖2。

(4) 路由器R4上GLBP 協議工作狀態如圖3所示。

圖2路由器R3上GLBP協議工作狀態

圖3　路由器R4上GLBP協議工作狀態

通過以上訪問測試可以看到，計算機C1、C3均可以PING通公網DNS地址 8.8.8.8。GLBP 50組虛擬網關地址為192.168.50.1，路由器R3為GLBP 50組中的AVG，路由器R4為備用AVG。兩個路由器均為AVF,都參與數據包的轉發，路由器R3是Forwarder 2的活躍路由器，同時也是Forwarder 1的備用路由器，校園網用戶發送到虛擬MAC地址00:07:b4:00:32:02的流量，都由R3來進行轉發。路由器R4是Forwarder 1的活躍路由器，同時也是Forwarder 2的備用路由器，校園網用戶發送到虛擬MAC地址00:07:b4:00:32:01的流量，都由R4來進行轉發，繼而實現了三層網關的冗余和流量負載均衡。由于計算機C1 所對應的網關MAC地址為00:07:b4:00:32:02，計算機C3所對應的網關MAC地址為00:07:b4:00:32:01，因此計算機C1訪問公網DNS地址8.8.8.8通過路由器R3來進行數據包轉發，計算機C3訪問公網DNS地址8.8.8.8通過路由器R4來進行數據包轉發。

4.2　網絡故障情況下

關閉教育網接入路由器R1上 s1/0接口，模擬教育網路由器R1發生網絡故障，再次對計算機C1和C3訪問公網DNS地址8.8.8.8進行訪問測試，并以GLBP 50組為例查看路由器R3、R4上GLBP協議的工作狀態。

(1) 從計算機C1對公網DNS地址8.8.8.8進行訪問測試

VPCS[1]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=120.007 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=98.005 ms

VPCS[1]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.3 101.006 ms 20.001 ms 9.001 ms

2 202.59.55.31 157.009 ms

(2) 從計算機C3對公網DNS地址8.8.8.8進行訪問測試

VPCS[3]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=129.008 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=67.004 ms

VPCS[3]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.3 45.003 ms 9.000 ms 9.001 ms

2 202.59.55.31 138.008 ms

(3) 路由器R3上GLBP 協議工作狀態見圖4。

(4) 路由器R4上GLBP 協議工作狀態如圖5所示。

圖4　路由器R3上GLBP協議工作狀態

圖5　路由器R4上GLBP協議工作狀態

通過模擬測試得知，即使教育網接入路由器R1發生網絡故障，計算機C1和C3對公網DNS地址8.8.8.8的訪問也不會受到絲毫影響，路由器R3依舊為AVG,只是權重值變為160(220-60)，由于低于低門限值(190)，因此路由器R3不在轉發任何數據包。路由器R4成為Forwarder 1和Forwarder 2的活躍路由器，校園網用戶發往兩個虛擬MAC地址00:07:b4:00:32:01和00:07:b4:00:32:02的流量都由路由器R4來進行轉發。因此計算機C1和C3訪問公網DNS地址8.8.8.8均通過路由器R4來進行數據包轉發。

5　結　語

為實現校園網高可靠性，保證校園網能夠安全穩定的運行，優化了校園網出口結構，引入了兩條ISP出口線路，并在校園網出口路由器上結合使用GLBP和SLA技術，不僅實現了三層網關冗余和流量負載均衡，而且也提高了對網絡故障的感知能力。即使單一校園網出口路由器或ISP接入路由器發生網絡故障，也不會影響校園網用戶對互聯網的正常訪問。

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