BFD 在VRRP 故障復(fù)原中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

龐國(guó)莉，王小英

（防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河）

1 BFD 的工作原理

BFD 的全稱(chēng)為雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)，它提供了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)化的、與介質(zhì)和協(xié)議無(wú)關(guān)的快速故障檢測(cè)機(jī)制。其主要作用有兩點(diǎn)：一是用于快速檢測(cè)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中鏈路或IP 路由的轉(zhuǎn)發(fā)連通狀況；二是提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)性能，鄰居之間必須能快速檢測(cè)到通信故障，從而建立備用通道恢復(fù)通信。BFD 是以UDP 作為傳輸層協(xié)議的一種輕量級(jí)的hello 協(xié)議。在檢測(cè)通信故障之前，BFD 對(duì)等體之間需要首先建立會(huì)話，為了建立會(huì)話，BFD 對(duì)等體之間首先需要完成3 次握手，3 次握手的會(huì)話建立過(guò)程同時(shí)也是參數(shù)協(xié)商過(guò)程，然后再通過(guò)會(huì)話來(lái)周期性發(fā)送故障檢測(cè)消息[1]。以O(shè)SPF 進(jìn)程下啟用BFD 為例，查看BFD 會(huì)話的建立過(guò)程，如圖1 所示。OSPF 先建立鄰居關(guān)系，接著將鄰居關(guān)系通告給BFD，BFD 則利用這些信息建立會(huì)話并周期性地相互發(fā)送消息來(lái)檢測(cè)故障。如果一臺(tái)BFD 設(shè)備在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到對(duì)端BFD 設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的檢測(cè)消息，那么它就會(huì)認(rèn)為自己與對(duì)端之間通信出現(xiàn)了故障。以圖2 為例展示了BFD 向OSPF 通告鏈路故障的過(guò)程。BFD 因在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到對(duì)端的BFD 消息而迅速檢測(cè)出了設(shè)備之間的通信故障，同時(shí)BFD 也由UP 變?yōu)榱薉OWN，BFD 向OSPF 通告鄰居已經(jīng)不可達(dá)的信息，OSPF 斷開(kāi)鄰居關(guān)系，OSPF 網(wǎng)絡(luò)也會(huì)開(kāi)始重新收斂。

圖1 BFD 會(huì)話建立

圖2 BFD 通告鏈路故障

2 VRRP 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

對(duì)于局域網(wǎng)而言，網(wǎng)關(guān)設(shè)備是連接局域網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)的橋梁。當(dāng)局域網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的通信斷開(kāi)也就意味著局域網(wǎng)中所有終端斷開(kāi)了與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。為了避免網(wǎng)關(guān)單點(diǎn)故障的隱患，需要增加冗余網(wǎng)關(guān)并引入一種機(jī)制能夠讓冗余網(wǎng)關(guān)工作起來(lái)像一臺(tái)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而VRRP 就提供了這種機(jī)制。

2.1 VRRP 的工作原理

VRRP 的全稱(chēng)為虛擬路由器冗余協(xié)議，屬于一種虛擬化技術(shù)，也是一種容錯(cuò)協(xié)議。VRRP 主要功能是將多臺(tái)路由器虛擬成一臺(tái)路由器，為終端設(shè)備提供網(wǎng)關(guān)冗余，從而保持通信的連續(xù)性和可靠性。VRRP 路由器分為主用（Master）和備用（Backup）兩種，只有主用路由器才會(huì)為局域網(wǎng)和外網(wǎng)之間的流量執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)，而備用路由器通過(guò)主用路由器發(fā)送的通告來(lái)監(jiān)聽(tīng)主用路由器的工作狀態(tài)。當(dāng)備用路由器在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自主用路由器發(fā)來(lái)的通告，那么備用路由器會(huì)認(rèn)為主用路由器發(fā)生故障，它會(huì)重新選舉出新的主用路由器繼續(xù)為終端進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)[2]。圖3 為使用VRRP協(xié)議環(huán)境的邏輯拓?fù)?，在拓?fù)渲新酚善鰽 和路由器B與交換機(jī)連接的接口可配置成一個(gè)VRRP 組，兩臺(tái)路由器的接口對(duì)外使用相同的虛擬IP 地址和虛擬MAC進(jìn)行通信。在所有終端設(shè)備上將這個(gè)虛擬IP 地址設(shè)置為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的冗余[3]。

圖3 VRRP 協(xié)議環(huán)境的邏輯拓?fù)?/p>

VRRP 在選舉主用路由器時(shí)，會(huì)首先比較優(yōu)先級(jí)（默認(rèn)優(yōu)先級(jí)為100），優(yōu)先級(jí)值最高的接口被選舉為主用路由器。如果多個(gè)VRRP 路由器接口的優(yōu)先級(jí)相同，則會(huì)繼續(xù)對(duì)比接口IP 地址，IP 地址最高的接口成為主用路由器。

2.2 VRRP 的配置

VRRP 配置需要在路由器接口上進(jìn)行，在圖3 中，為了使路由器A 為主用路由器，路由器B 為備用路由器，可在路由器A 與交換機(jī)連接的接口g0/0/1 上配置兩條命令vrrp vrid 10 virtual-ip 10.1.1.254 和vrrp vrid 10 priority 150，命令指定VRID 組為10，虛擬IP地址為10.1.1.254，優(yōu)先級(jí)為150，使其大于默認(rèn)值。而在路由器B 與交換機(jī)連接的接口上只需要配置一條命令vrrp vrid 10 virtual-ip 10.1.1.254 即可，保留VRRP 優(yōu)先級(jí)100 的默認(rèn)設(shè)置。VRRP 通過(guò)比較優(yōu)先級(jí)從而確定路由器A 為VRID 10 的主用路由器，負(fù)責(zé)傳輸內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量。當(dāng)路由器A 到外網(wǎng)的上行鏈路出現(xiàn)故障導(dǎo)致通信中斷，VRRP 是無(wú)法感知的，數(shù)據(jù)流量仍由路由器A 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，但由于上行鏈路中斷，所有的終端是無(wú)法通過(guò)路由器A 訪問(wèn)外網(wǎng)的。為此，VRRP 需要根據(jù)上行鏈路的狀態(tài)相應(yīng)地進(jìn)行切換，即需要在路由器A 的g0/0/1 接口上相應(yīng)地配置上行鏈路追蹤功能的命令vrrp vrid 10 track int g0/0/2 reduced 100，命令實(shí)現(xiàn)了當(dāng)g0/0/2 狀態(tài)Down時(shí)，優(yōu)先級(jí)會(huì)減少100，這樣主用路由器A 的優(yōu)先級(jí)就會(huì)低于備用路由器B 對(duì)應(yīng)接口的優(yōu)先級(jí)100，備用路由器就可以通過(guò)優(yōu)先級(jí)搶占主用路由器的角色進(jìn)而進(jìn)行流量傳輸。

3 BFD 在VRRP 故障復(fù)原中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 VRRP 的故障場(chǎng)景

如圖4 所示VRRP 三層邏輯直連環(huán)境中，AR1 為外網(wǎng)的路由器，AR2 和AR3 為局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，通過(guò)VRRP 向企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)提供冗余網(wǎng)關(guān)服務(wù)。在AR2 和AR3 上需要配置默認(rèn)路由通往外網(wǎng)，并在AR2 和AR3 的上聯(lián)出接口上配置NAT easy ip 服務(wù)，為局域網(wǎng)提供地址轉(zhuǎn)換服務(wù)。通過(guò)配置AR2 的G0/0/1 接口優(yōu)先級(jí)設(shè)置為150 將其設(shè)為Master 角色，并設(shè)置追蹤接口G0/0/0 狀態(tài)。但由于AR2 與AR1 之間有二層設(shè)備LSW2，且LSW2 與AR1 之間有鏈路故障時(shí)，AR2是無(wú)法感知到鏈路故障的，因此，它不會(huì)降低優(yōu)先級(jí)，而是繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)終端的數(shù)據(jù)，顯而易見(jiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)會(huì)被丟棄，造成終端與外網(wǎng)的通信中斷[3]，如圖5 所示。

圖4 VRRP 三層邏輯直連環(huán)境

圖5 終端與外網(wǎng)的通信中斷

3.2 BFD 快速?gòu)?fù)原解決方案

針對(duì)以上VRRP 三層邏輯直連環(huán)境中無(wú)法感知上行鏈路故障造成通信中斷的情況，提出了在VRRP中結(jié)合BFD 提供的快速檢測(cè)故障機(jī)制，以快速確定邏輯直連中存在的鏈路故障現(xiàn)象，再通過(guò)BFD 通告給VRRP，VRRP 通過(guò)降低主用路由器AR2 的優(yōu)先級(jí)，使得備用路由器AR3 根據(jù)優(yōu)先級(jí)搶占主用角色，最終實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[4]。

啟用BFD 的快速檢測(cè)功能需要先建立BFD 會(huì)話，建立BFD 會(huì)話有兩種方式：動(dòng)態(tài)和靜態(tài)。本案例采用BFD 動(dòng)態(tài)方式在AR2 和AR1 上進(jìn)行配置。需要在AR2 和AR1 上先使能BFD 功能，接著配置BFD 會(huì)話名稱(chēng)及遠(yuǎn)端IP 和本地IP，最后在AR2 的G0/0/1 接口的VRRP 上調(diào)用BFD 會(huì)話，具體命令如下。

AR1 上BFD 配置命令：

[AR1]bfd

[AR1]bfd aa bind peer-ip 200.0.0.2 source-ip 200.0.0.1 auto

AR2 上BFD 配置命令：

[AR2]bfd

[AR2]bfd aa bind peer-ip 200.0.0.1 source-ip 200.0.0.2 auto

[AR2]int g0/0/1

[AR2-GigabitEthernet0/0/1]vrrp vrid 10 track bfd-session session-name aa reduced 100

配置完成后，在終端用-t 參數(shù)不間斷ping 外網(wǎng)，并將AR1 的G0/0/0 設(shè)置為Down，模擬LSW2 與AR1之間有鏈路故障，結(jié)果發(fā)現(xiàn)終端與外網(wǎng)的ping 包有兩個(gè)超時(shí)提示后又正常進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如圖6 所示。說(shuō)明BFD 檢測(cè)到故障后通知了VRRP，VRRP 主用路由器AR2 接口G0/0/1 優(yōu)先級(jí)降低了100，備用路由器AR3根據(jù)優(yōu)先級(jí)切換為Master 角色并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。在AR3 上通過(guò)使用命令display vrrp brief 可以查看到AR3 已切換為Master 角色，如圖7 所示。由此可見(jiàn)，在VRRP 環(huán)境中調(diào)用BFD 提供快速檢測(cè)功能是非常重要和高效的[5]。

圖6 終端與外網(wǎng)調(diào)用BFD 后的通信情況

圖7 調(diào)用BFD 后查看AR3 角色

4 結(jié)論

由于很多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自帶的檢錯(cuò)機(jī)制效率很低，而B(niǎo)FD 是一項(xiàng)毫秒級(jí)且支持多協(xié)議的快速檢測(cè)故障的技術(shù)而被廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)介紹BFD 與OSPF 路由協(xié)議聯(lián)動(dòng)過(guò)程闡述了BFD 的工作原理，為了避免網(wǎng)關(guān)的單點(diǎn)故障而引入了VRRP 在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場(chǎng)景，最后結(jié)合VRRP 網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的故障而無(wú)法快速檢測(cè)到而導(dǎo)致傳輸中斷的場(chǎng)景，提出了將VRRP 與BFD聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)的快速?gòu)?fù)原解決方案。該方案通過(guò)ENSP 平臺(tái)模擬演示，通過(guò)VRRP 沒(méi)有與BFD 聯(lián)動(dòng)出現(xiàn)的故障效果和與BFD 聯(lián)動(dòng)故障效果進(jìn)行了比較，從而驗(yàn)證BFD 在VRRP 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)具備快速?gòu)?fù)原能力的應(yīng)用效果。