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华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

发布时间：2020-07-22 13:48:37 作者：俊伟祺i
来源：网络 阅读：1765

博文目录：
一、双机热备是什么？
二、什么是VRRP？
三、VRRP的两种角色
四、VRRP的三个状态机
五、VRRP选举Master路由器和Backup路由器的流程
六、通过VGMP实现VRRP备份组的统一管理
七、双机热备的配置
八、总结

一、双机热备是什么？

1、双机热备的作用

多台设备运行双机热备；
一台设备故障其他设备接替工作；
增强网络稳定性；
保证业务的连续性；

华为的双机热备是通过部署两台或多台防火墙实现热备及负载均衡，两台防火墙相互协同工作，犹如一个更大的防火墙。

2、华为防火墙双机热备的两种模式：

负载均衡模式下，针对图中●流量，FW1是主设备，FW2是备用设备，所以该流量默认通过FW1转发，而针对图中○流量，FW2是主用设备，FW1是备用设备部，所以该流量默认通过FW2转发。而同时，FW1又作为○流量的备用设备，当FW2损坏时，FW1依然可以转发○流量。同理，FW2也可以在FW1损坏时转发●流量。如下图：
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

二、什么是VRRP？

VRRP（virtual router redundancy protocol，虚拟路由冗余协议），由IETF进行维护，用来解决网关单点故障的路由协议。VRRP可以应用在路由器中提供网关冗余，也可以用在防火墙中做双机热备。

1、VRRP的术语

2、华为VRRP和Cisco的HSRP细节上的区别

VRRP是公有协议，而HSRP是Sisco私有协议。
VRRP中的虚拟路由器的IP地址可以是成员路由器的IP地址，而HSRP不可以。
VRRP的虚拟MAC地址前缀是00-00-5e-00-01-VRID，而HSRP的虚拟MAC地址前缀是00-00-0C-07-AC-组号。
VRRP的状态机有三个，而HSRRP的状态机包含五个（初始、学习、监听、发言、备份、活动）。
VRRP只有一种报文，VRRP通告报文由主用路由器发出，用于检测虚拟路由器的参数，同时用于主用路由器的选举。而HSRP有三种报文（Hello、政变、辞职）。
VRRP不支持接口跟踪，而HSRP支持。

三、VRRP的两种角色

四、VRRP的三个状态机

以上三个状态之间的切换关系如下图：
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置
Initialize状态是VRRP的初始状态，当接口shutdown时，无论路由器处于master状态还是backup状态，都将立即切换至initialize状态。当路由器配置为IP地址拥有者时，其优先级默认为255，此时路由器直接由initialize状态切换至master状态。当路由器不是IP地址拥有者，其优先级< 255，此时路由器直接由initialize状态切换至backup状态。处于master状态的路由器如果收到优先级更大或者和本地优先级相等的报文（通常有master路由器发出），将重置master_Down_Interval计数器，如果一直没有接收到Master路由器发送的VRRP通告报文，待master_Down_Interval计时器超时后，将由backup状态切换至master状态。

五、VRRP选举Master路由器和Backup路由器的流程

VRRP选举master路由器和backup路由器的流程如下：
首先选举优先级高的设备成为master路由器，如果优先级相同，再比较接口的IP地址大小，IP地址大（数值大）的设备将成为master路由器，而备份组中其他的路由器将成为backup路由器。

VRRP中的默认接口优先级为100，取值范围为0~255，其中优先级0是系统保留，优先级255保留给IP地址拥有者，IP地址拥有者不需要配置优先级，默认优先级就是255。

除非手工将路由器配置为IP地址拥有者（优先级=255），否则VRRP的状态切换总是先经历Backup状态，即使路由器的优先级最高，也需要从backup状态过渡到master状态。此时，backup状态只是一个瞬间的过渡状态。

六、通过VGMP实现VRRP备份组的统一管理

通过前面的介绍可知，双机热备解决了网关设备切换且业务不中断的问题，VRRP解决了客户机网关自动切换问题。似乎双机热备 +VRRP已经可以正常工作，但实际情况下并非如此。

上个图大家看的更有助于理解，直观一些
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置
从上图中可以看出，正常情况下PC去往外部网络的数据包通过备份组1的master设备（FW1）转发，外部网络返回的数据包由备份组2的master设备（FW1）转发，但是当FW1的G1/0/0接口出现故障时，备份组1可以检测到这一故障，并将FW2作为备份组1的master设备。PC发起的数据包由备份组1的master设备（FW2）进行转发，而备份组2的状态没有发生任何改变（FW1的G1/0/1接口正常工作），所以由外部网络返回的流量仍然由备份组2的master设备（FW1转发），显然，因为FW1的接口G1/0/0故障，数据包无法继续转发。

造成这种现象的原因就是两个VRRP备份组独立工作，所以需要使用VGMP（VRRP组管理协议）来实现对VRRP备份组的统一管理，以保证设备在各个备份组中的状态一致。

VGMP（VRRP Group Management Protocol,VRRP组管理协议）用来实现对VRRP备份组的统一管理，以保证设备在各个备份组中的状态一致性。VGMP通过在设备（FW1和FW2）上将所有的备份组（备份组1和备份组2）加入一个VGMP组中进行统一管理，一旦检测到某个备份组（备份组1）中的状态变化（如接口进入Initialize状态），VGMP组将自身优先级减2，并重新协商VGMP的active组和standby组。选举出的active组将所有的其他备份组（备份组1和备份组2）统一进行状态切换（备份组1和备份组2中的FW2将成为Master设备）。

1、VGMP的工作原理

2、VGMP的报文封装

VGMP通过心跳线协商VGMP的状态信息，通过发送VGMP报文实现。VGMP报文有以下两种形式，如下图：

如下图中左边的网络图中，当心跳线直接相连，或者通过二层交换机相连时，发送的报文属于组播报文，报文封装中不携带UDP头部信息。而当心跳线通过三层设备（路由器）连接时，因为组播报文无法通过三层设备，所以在报文封装中会额外增加一个UDP头部信息，此时发送的报文属于单播。

华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

在实际应用中，应根据实际的环境灵活选择报文封装，在华为防火墙中，通过以下命令指定通过接口发送的报文属于哪几种类型的封装。

[FW1]hrp interface GigabitEthernet 1/0/0       <!--eNSP模拟器中不支持该配置-->
[FW1]hrp interface GigabitEthernet 1/0/0 remote 1.1.1.1
<!--hrp命令用来指定用于心跳链路的接口编号，
1.1.1.1是心跳线对端接口的IP地址，该地址要求路由可达，
带remote参数的命令将封装UDP，并发送单播报文不带remote参数将发送组播报文-->

配置VGMP的其他注意事项：

3、双机热备的备份方式

双机热备的备份方式包括以下三种：

各模式的配置命令如下：

1）开启双机热备功能：

[FW1]hrp enable    
HRP_S[FW1]         <!--开启双机热备功能后，命令提示符发生变化-->

2）配置自动备份模式：

HRP_M[FW1]hrp auto-sync 
HRP_M[FW1]security-policy  (+B)
   <!--开启双机热备后，执行可以同步的命令会有（+B）的提示-->

3）配置手工批量备份模式：

HRP_M<FW1>hrp sync [ config | connection-status ]   
       <!--
 在用户模式下执行该命令，其中config参数表示手工同步命令配置，
 connection-status参数表示手工同步状态信息。
              -->

4）配置快速备份模式：

HRP_S[FW1]hrp mirror session enable 
HRP_M[FW1]      <!--配置快速备份模式后，开头会变成HRP_M.....-->

4、连接路由器时的双机热备

当配置双机热备的设备上游或者下游是交换设备时，可以通过VRRP检测接口或者设备的状态，但是当上游或者下游设备是路由器时，VRRP无法正常运行（VRRP依靠组播实现故障切换）。华为防火墙的做法时监控其他接口状态，并配合OSPF实现流量切换，如下图：
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置
通过将接口直接加入VGMP组中，当接口故障时（即使对端设备故障，本端接口的物理特性也将关闭），VGMP会感知接口状态变化，从而降低VGMP组的优先级，从active状态切换至standby状态。而之前的standby组将提升为active状态。而处于standby的VGMP组在发布OSPF路由时，会自动将cost值增加65500，通过OSPF的自动收敛，最终将流量引导至Active组设备中。

七、双机热备的配置

环境如下：
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

需求如下：
LSW1和LSW2是二层交换机，FW1、FW2、LSW1、LSW2组成双机热备网络，正常情况下，PC1发起的访问R1的流量通过FW1转发，当FW1出现故障时，在PC1不做任何调整的前提下，可以自动通过FW2转发。

推荐步骤：
按照拓扑图配置基本网络参数
防火墙接口加入不同区域
配置安全策略
配置NAT地址转换使用PAPT
配置相互传输心跳
配置VRRP
防火墙配置默认路由
验证

开始配置：

FW1配置如下：

[FW1]int g1/0/0      <!--进入该接口-->
[FW1-GigabitEthernet1/0/0]ip add 10.1.1.1 24   <!--接口配置IP地址-->
[FW1-GigabitEthernet1/0/0]quit 
[FW1]int g1/0/1           <!--进入该接口-->
[FW1-GigabitEthernet1/0/1]ip add 10.2.1.1 24    <!--接口配置IP地址-->
[FW1-GigabitEthernet1/0/1]quit
[FW1]int g1/0/2      <!--进入该接口-->
[FW1-GigabitEthernet1/0/2]ip add 10.3.1.1 24  <!--接口配置IP地址-->
[FW1-GigabitEthernet1/0/2]quit 
[FW1]ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 GigabitEthernet 1/0/0 1.1.1.2
              <!--配置去往untrust区域的默认路由-->
[FW1]firewall zone untrust        <!--进入untrust区域-->
[FW1-zone-untrust]add int GigabitEthernet 1/0/0   <!--该接口加入untrust区域-->
[FW1-zone-untrust]quit
[FW1]firewall zone dmz         <!--进入dmz区域-->
[FW1-zone-dmz]add int GigabitEthernet 1/0/1      <!--该接口加入dmz区域-->
[FW1-zone-dmz]quit
[FW1]firewall zone trust       <!--进入trust区域-->
[FW1-zone-trust]add int GigabitEthernet 1/0/2      <!--该接口加入trust区域-->
[FW1-zone-trust]quit
[FW1]security-policy        <!--配置安全策略--> 
[FW1-policy-security]rule name ha        <!--安全策略名字为ha-->
[FW1-policy-security-rule-ha]source-zone local        <!--指定源区域-->
[FW1-policy-security-rule-ha]source-zone dmz      <!--指定源区域-->
[FW1-policy-security-rule-ha]destination-zone local     <!--指定目标区域-->
[FW1-policy-security-rule-ha]destination-zone dmz       <!--指定目标区域-->
[FW1-policy-security-rule-ha]action permit        <!--允许dmz区域和local区域相互访问-->
[FW1-policy-security-rule-ha]quit
[FW1-policy-security]quit
[FW1]security-policy          <!--配置安全策略 -->
[FW1-policy-security]rule name nat      <!--安全策略名字为nat-->
[FW1-policy-security-rule-nat]source-zone trust        <!--指定源区域-->
[FW1-policy-security-rule-nat]destination-zone untrust      <!--指定目标区域-->
[FW1-policy-security-rule-nat]action permit        <!--允许流量通过-->
[FW1-policy-security-rule-nat]quit
[FW1-policy-security]qui
[FW1]nat address-group NAPAT          <!--地址池的名字为NAPAT-->
[FW1-address-group-napat]section 0 1.1.1.1 1.1.1.1   <!--地址池范围-->
[FW1-address-group-napat]quit
[FW1]nat-policy      <!--配置NAT策略-->
[FW1-policy-nat]rule name natpolicy    <!--NAT策略名字为natpolicy-->
[FW1-policy-nat-rule-natpolicy]source-zone trust    <!--定义转换源区域-->
[FW1-policy-nat-rule-natpolicy]destination-zone untrust   <!--定义转换目标区域-->
[FW1-policy-nat-rule-natpolicy]action nat address-group NAPAT   
      <!--定义转换源和地址池建立映射关系-->
[FW1-policy-nat-rule-natpolicy]quit
[FW1-policy-nat]quit
[FW1]hrp int g 1/0/1 remote 10.2.1.2  <!--配置心跳信息传输到FW2-->
[FW1]hrp enable   <!--开启hrp功能-->
HRP_S[FW1]

FW2配置如下：（请参照FW1注释，FW1和FW2配置基本相同）

[FW2]int g1/0/0
[FW2-GigabitEthernet1/0/0]ip add 10.1.1.2 24
[FW2-GigabitEthernet1/0/0]int g1/0/1
[FW2-GigabitEthernet1/0/1]ip add 10.2.1.2 24
[FW2-GigabitEthernet1/0/1]int g1/0/2
[FW2-GigabitEthernet1/0/2]ip add 10.3.1.2 24
[FW2-GigabitEthernet1/0/2]quit
[FW2]ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 GigabitEthernet 1/0/0 1.1.1.2
[FW2]firewall zone untrust 
[FW2-zone-untrust]add int GigabitEthernet 1/0/0
[FW2-zone-untrust]quit
[FW2]firewall zone dmz
[FW2-zone-dmz]add int GigabitEthernet 1/0/1
[FW2-zone-dmz]quit
[FW2]firewall zone trust 
[FW2-zone-trust]add int GigabitEthernet 1/0/2
[FW2-zone-trust]quit
[FW2]security-policy 
[FW2-policy-security]rule name ha
[FW2-policy-security-rule-ha]source-zone local 
[FW2-policy-security-rule-ha]source-zone dmz
[FW2-policy-security-rule-ha]destination-zone local 
[FW2-policy-security-rule-ha]destination-zone dmz
[FW2-policy-security-rule-ha]action permit 
[FW2-policy-security-rule-ha]quit
[FW2-policy-security]quit
[FW2]security-policy 
[FW2-policy-security]rule name nat
[FW2-policy-security-rule-nat]source-zone trust 
[FW2-policy-security-rule-nat]destination-zone untrust 
[FW2-policy-security-rule-nat]action permit 
[FW2-policy-security-rule-nat]quit
[FW2-policy-security]quit
[FW2]nat address-group NAPAT
[FW2-address-group-napat]section 0 1.1.1.1 1.1.1.1
[FW2-address-group-napat]quit
[FW2]nat-policy 
[FW2-policy-nat]rule name natpolicy
[FW2-policy-nat-rule-natpolicy]source-zone trust 
[FW2-policy-nat-rule-natpolicy]destination-zone untrust 
[FW2-policy-nat-rule-natpolicy]action nat address-group NAPAT
[FW2-policy-nat-rule-natpolicy]quit
[FW2-policy-nat]quit
[FW2]hrp int g1/0/1 remote 10.2.1.1
[FW2]hrp enable
HRP_S[FW2]hrp standby-device

开始配置VRRP

FW1配置VRRP如下：

HRP_M[FW1]int g1/0/0 (+B)            <!--进入接口-->
HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 1.1.1.1 255.255.255.0 active  
          <!--VRRP1组主设备，虚拟IP网关1.1.1.1-->
HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/0]quit
HRP_M[FW1]int g1/0/2 (+B)        <!--进入接口-->
HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.3.1.3 active  
        <!--VRRP2组主设备，虚拟IP网关10.3.1.3-->
HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/2]quit

FW2配置VRRP如下：

HRP_S[FW2]int g1/0/0           <!--进入接口-->
HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 1.1.1.1 255.255.255.0 standby 
       <!--VRRP1备份设备，虚拟IP网关1.1.1.1-->
HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/0]quit
HRP_S[FW2]int g1/0/2            <!--进入接口-->
HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.3.1.3 standby 
      <!--VRRP2组备份设备，虚拟IP网关10.3.1.3-->
HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/2]quit
HRP_S[FW2]dis hrp state  <!--查看hrp状态-->

配置R1和PC的IP地址，并pingR1的IP地址。
R1配置如下：

[R1]int g0/0/0
[R1-GigabitEthernet0/0/0]ip add 1.1.1.2 24
[R1-GigabitEthernet0/0/0]quit
  <!--进入接口给接口配置IP地址-->
[R1]ip route-static 10.3.1.0 24 10.1.1.1
[R1]ip route-static 10.3.1.0 24 10.1.1.2
           <!--
添加两条去往内网的路由，在实际环境中，可是不会有这条路由的哦，
实际中一般会将内网的地址映射为和该路由器同一网段的公网IP。 -->

PC配置如下：

华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

验证
用PC1pingR1路由器，然后去FW1和FW2防火墙上分别查看会话表，他们的内容是不一样的

FW1会话表：
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

抓包查看流量转换
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

模拟FW1的F1/0/0接口故障，客户端ping路由器R1

HRP_M[FW1]int g1/0/0 (+B)     <!--进入接口-->
HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/0]shutdown   <!--关闭接口-->

PC1客户端ping路由器R1，防火墙FW2查看会话表
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

抓包查看
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

PC2客户端ping路由器R1，防火墙在FW2查看会话表
华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

配置完成。

八、总结

推荐阅读：
  1. 华为防火墙双机热备（详细介绍VRRP，VGMP）
  2. 华为防火墙实现双机热备配置详解

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华为防火墙的双机热备 vrrp的工作原理 vgmp的使用场景

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