华为防火墙实现双机热备配置详解

发布时间：2020-06-02 23:00:17 作者：筱振
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一提到防火墙，一般都会想到企业的边界设备，是内网用户与互联网的必经之路。防火墙承载了非常多的功能，比如：安全规则、IPS、文件类型过滤、内容过滤、应用层过滤等。也正是因为防火墙如此的重要，如果防火墙一旦出现问题，所有对外通信的服务都将中断，所以企业中首先要考虑的就是防火墙的优化及高可用性。

博文大纲：
一、双机热备工作原理
二、VRRP协议
（1）VRRP协议概述
（2）VRRP的角色
（3）VRRP的状态机
（4）VRRP的工作原理
三、VGMP协议
（1）VGMP的工作原理
（2）VGMP的报文封装
（3）双机热备的备份方式
（4）连接路由器时的双机热备
四、实现防火墙双机热备的配置

一、双机热备工作原理

随着互联网的发展，现在人们生活中的大多数问题都可以通过网络解决，但与此同时，网络安全问题也逐渐暴露出来。在企业中部署一台防火墙已然成为常态。如何能够保证网络不间断地传输成为网络发展中急需解决的问题！

华为防火墙实现双机热备配置详解
企业在关键的业务出口部署一台防火墙，所有的对外流量都要经过防火墙进行传输，一旦防火墙出现故障，那么企业将面临网络中断的问题，无论防火墙本身的性能有多好，功能有多么强大。在这一刻，都无法挽回企业面临的损失。所以在企业的出口部署两台防火墙产品，可以在增加企业安全的同时，保证业务传输基本不会中断，因为两台设备同时出现故障的概率非常小。经过图中右边的部署，从拓补的角度来看，网络具有非常高的可靠性，但是从技术的角度来看，还需解决一些问题，正因为防火墙和路由器在工作原理上有着本质的区别，所以防火墙还需一些特殊的配置。

华为防火墙实现双机热备配置详解
左图，内部网络可以通过R3→R1→R4到达外部网络，也可以通过R3→R2→R4到达，如果通过R3→R1→R4路径的cost（运行OSPF协议）比较小，那么默认情况，内部网络将通过R3→R1→R4到达外部网络，当R1设备损坏时，OSPF将自动收敛，R3将通过R2转发到达外部网络。

右图，R1、R2替换成两台防火墙，默认情况下，流量将通过FW1进行转发到达外部网络，此时在FW1记录着大量的用户流量对应的会话表项内容，当FW1损坏时，通过OSPF收敛，流量将引导FW2上，但是FW2上没有之前流量的会话表，之前传输会话的返回流量将无法通过FW2，而会话的后续流量需要重新经过安全策略的检查，并生成会话。这就意味着之前所有的通信流量都将中断，除非重新建立连接。

华为防火墙实现双机热备配置详解
如图，华为防火墙的双机热备功能是通过提供一条备份链路（心跳线）、协商防火墙之间的主备状态及备份会话表、Server-map表等操作。根据防火墙的配置分别选举出主用设备及备用设备，当主用设备正常工作时，备用设备不提供数据包的转发，但是备用设备会实时从主用设备下载当前的会话表及Server-map表。从而保证，当主用设备故障时，即使切换到备用设备，备用设备依然存在当前流量的会话表及Server-map表，从而保证业务流量不中断。

在双机热备环境中，要求如下：
（1）两台防火墙用于心跳线的接口加入相同的安全区域；
（2）两台防火墙用于心跳线的接口的设备编号必须一致，比如都是G1/0/0；
（3）建议用于双机热备的两条防火墙采用相同的型号、相同的VRP版本；

华为防火墙的双机热备包含以下两种模式：

热备模式：同一时间只用一台防火墙转发数据包，其他防火墙不转发数据包，但是会同步会话表及Server-map表；

负载均衡模式：同一时间，多台防火墙同时转发数据，但每个防火墙又作为其他防火墙的备用设备，即每个防火墙即是主用设备也是备用设备，防火墙之间同步会话表及Server-map表；

关于华为防护墙的热备模式和负载均衡模式如图：
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二、VRRP协议

在双机热备技术中，即使选举出了主用设备和备用设备，默认情况下流量也通过主用设备转发，而备用设备处于备份状态。但是客户机通常通过指定网关地址来指定网络出口，当客户机将网关指向主用设备时，流量自然从主用设备转发，但是当主用设备故障时，客户机并不会将网关自动指向备用设备，所以即使双机热备本身可以切换、客户机依然无法正常通信。所以要保证双机热备可以正常工作，还需解决客户机网关自动切换的问题。而VRRP技术可以解决网关自动切换的问题，甚至还能让设备切换对客户机而言是透明的。在华为防火墙的双机热备技术中，VRRP是非常重要的一个组成部分。

（1）VRRP协议概述

VRRP（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击热备。

VRRP的基本概念如下：
（1）VRRP路由器：运行VRRP协议的路由器；
（2）虚拟路由器：由一个主用路由器和若干备用路由器组成的一个备份组，一个备份组对客户机提供一个虚拟网关；
（3）VRID：Virtual Router ID，虚拟路由器标识，用来唯一的表识一个备份组；
（4）虚拟IP地址：提供给客户端的网关IP地址，也是分配给虚拟路由器的IP地址，在所有的VRRP中配置，只有主用设备提供该IP地址的ARP响应；
（5）虚拟MAC地址：基于VRID生成的用于VRRP的MAC地址，在客户端通过ARP协议解析网关的MAC地址时，主用路由器提供该MAC地址；
（6）IP地址拥有者：若将虚拟路由器的IP地址配置为某个成员物理接口的真是IP地址，那么该成员被称为IP地址拥有者；
（7）优先级：用于表示VRRP路由器的优先级，并通过每个VRRP路由器的优先级选举主用设备及备用设备；
（8）抢占模式：在抢占模式下，如果备用路由器的优先级高于备份组中的其他路由器（包括当前的主用路由器），将立即成为新的主用路由器；
（9）非抢占模式：在非抢占模式下，如果备用路由器的优先级高于备份组中的其他路由器（包括当前的主用路由器），则不会立即成为主用路由器，直到下一次公平选举（如断电、设备重启等）；

VRRP的工作原理与Cisco设备基本相同，只有一些细节上的一些区别，如图：
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（2）VRRP的角色

工作在VRRP模式下的路由器有两种角色，分别是：

Master路由器：正常情况下由Master路由器负责ARP响应及提供数据包的转发，并且默认每隔1s向其他路由器通告Master路由器当前的状态信息；

Backup路由器：是Master路由器的备用路由器，正常情况下不提供数据包的转发，当Master路由器故障时，在所有的Backup路由器中优先级最高的路由器将成为新的Master路由器，接替转发数据包的工作，从而保证业务不间断；

（3）VRRP的状态机

VRRP定义了三种工作状态，如下：

Initialize状态：刚配置VRRP时的初始状态。该状态下，不对VRRP报文做任何处理，当接口shutdown或接口故障时将进入该状态；

Master状态：当前设备选举成为主用路由器时的一种状态。该状态下会转发业务报文，并周期性地发送VRRP通告报文，处于该状态的路由器还将响应客户机发起的ARP请求，并将虚拟MAC地址回应客户机。当接口关闭时，将立即切换至Initialize状态；

Backup状态：当前设备选举成为备用路由器的一种状态。该状态下不转发任何业务报文，工作在该状态下的路由器会接收主用路由器发送的VRRP通告报文，并判断主用路由器是否正常工作。在双机热备模式中还将同步主用设备上的状态信息；

三种状态之间的切换关系如图：
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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地址拥有者时，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的VRRP报文，将由Master状态切换至Backup状态，而Backup状态的路由器如果收到一个优先级更大或者本地优先级相等的报文（通常是由Master路由器发出），将重置Master_DOWN_Interval计时器，如果一直没有接收到Master路由器发送的VRRP通过报文，待Master_DOWN_Interval计时器超时后，将由Backup状态切换至Master状态。

注意：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，即时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。

（4）VRRP的工作原理

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值为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，优先级默认是255。

VRRP的工作原理如图：
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故障切换过程：
默认情况下，Master设备（FW1）会周期性（每1s）地向Backup设备发送VRRP通告，而Backup设备每次收到VRRP通告，就将Master_DOWN_Interval计时器重置为0。当Master设备出现故障，无法发出VRRP通告报文时，Backup设备将无法接收到VRRP，在Master_DOWN_Interval超时后，将直接由Backup状态切换为Master状态，FW2代替FW1成为新的Master设备。同时会向下游交换机发出免费ARP报文，以更新下游交换机的MAC地址表。而后续客户机发起的针对虚拟IP的ARP请求报文，FW2将直接代为回应，客户机发出的报文也将由FW2转发，而这一切变化对客户机而言都是透明的。因为虚拟IP地址仍然可用！

当FW1解决故障恢复正常运行时，因为FW1的优先级配置比FW2高，在抢占模式下，其将直接成为Master设备，而FW2再次回到Backup状态；在非抢占模式下，FW2依然是Master设备，而FW1成为Backup设备。

建议：当Master设备和Backup设备性能相差不大，同时网络规模较大时，建议配置为非抢占模式，因为这样可以减少网络的波动。

三、VGMP协议

（1）VGMP的工作原理

如果仅仅使用双机热备+VRRP就会出现以下情况：
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造成以下现象的原因是两个VRRP备份组各自独立工作，，那么有没有什么办法可以使两个备份组协同工作，以保证设备在两个备份组的状态一致性呢？就需要使用到——VGMP协议。

VGMP（VRRP组管理协议）用来实现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）。

VGMP的工作原理：

VGMP组的状态决定了VRRP备份组的状态，即设备的角色（如Master和Backup）不再通过VRRP报文选举，而是直接通过VGMP统一管理；

VGMP组的状态通过比较优先级决定，优先级高的VGMP组将成为Active，优先级低的VGMP组将成为Standby；

默认情况下，VGMP组的优先级为45000；

VGMP根据组内VRRP备份组的状态自动调整优先级，一旦检测到备份组的状态变成Initialize状态，VGMP组的优先级会自动减2；

通过心跳线协商VGMP状态信息；

VGMP的工作原理：
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注意：在加入了VGMP组之后，VRRP中的状态标识从Master和Backup变成Active和Standby。

（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，如图：
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左图中，当心跳线直连，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；
右图中，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；

在实际应用中，应根据实际的拓补灵活选择报文封装。在华为防火墙中，通过以下命令指定接口发送的报文属于哪种类型的封装。

[USG6000V1]hrp int g 1/0/0                         //eNSP模拟器不支持这条命令
[USG6000V1]hrp int g 1/0/0 remote 1.1.1.1

其中hrp命令用来指定用于心跳链路的接口，带remote参数的命令表示报文将封装UDP，并发送单播报文，不带remote参数的命令表示将发送组播报文。1.1.1.1标识对端是被（心跳线对端接口）的IP地址，该地址要求可路由，只有指定remote参数时才需要指定。

注意：

加入VGMP后，心跳线的作用包含状态信息备份（会话表和Server-map表）及VGMP状态协商；

华为防火墙在默认情况下放行组播流量（不带remote参数的VGMP报文），禁止单播流量（带remote参数的VGMP报文），所以配置了remote参数，还需要配置Local区域和心跳接口区域之间的安全策略；

配置了虚拟IP地址的接口不能作为心跳口；

如果使用二层接口作为心跳接口，不能直接在二层接口上配置，而是将二层接口加入VLAN，在VLAN中配置心跳接口；

eNSP模拟器中，及时心跳接口之间相连，也必须配置remote参数，否则无法配置；

（3）双机热备的备份方式

双击热备的备份方式包括以下三种：

自动备份：该模式下，和双机热备有关的配置命令只能在主用设备上配置，并自动同步到备用设备中，主用设备自动将状态信息同步到备用设备中，该模式是华为防火墙的默认开启模式，主要应用于热备模式；

手工批量备份：该模式下，主用设备上所有的配置命令和状态信息，只有在手工指定批量备份命令时才会自动同步到备用设备，该模式主要应用于主、备设备配置不同步，需要立即进行同步的场景中；

快速备份：该模式下，不同步配置命令，只同步状态信息。在负载均衡方式的双机热备环境中，该模式必须启用，以快速更新状态信息；

（1）开启双击热备功能

[USG6000V1]hrp enable
HRP_S[USG6000V1]                    //开启双机热备后，提示符发生变化

（2）配置自动备份模式

HRP_M[USG6000V1]hrp auto-sync

开启双机热备后，执行可以同步的命令时会有（+B）的提示

HRP_M[USG6000V1]security-policy  （+B）

（3）配置手工批量备份模式

HRP_M<USG6000V1>hrp sync config                                             //表示手工同步命令配置
HRP_M<USG6000V1>hrp sync connection-status                          //表示手工同步状态信息
//注意，此命令是在用户视图下执行的

（4）配置快速备份模式

HRP_M[USG6000V1]hrp mirror session enable

（4）连接路由器时的双机热备

当配置双机热备上游或下游是交换设备时，可以通过VRRP检测接口或设备的状态，但是当上游或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）。华为防火墙的做法是监控其接口状态，并配合OSPF实现流量切换。
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通过接口直接加入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Stabdby状态。而之前的Standby组提升为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。

四、实现防火墙双机热备的配置

实验拓补：
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案例实施：

（1）防火墙接口配置IP地址，并加入各自的区域中，并设置相应的安全策略

[FW1]int g1/0/0
[FW1-GigabitEthernet1/0/0]ip add 10.1.1.101 24
[FW1-GigabitEthernet1/0/0]int g1/0/1
[FW1-GigabitEthernet1/0/1]ip add 172.16.1.1 24
[FW1-GigabitEthernet1/0/1]int g1/0/2
[FW1-GigabitEthernet1/0/2]ip add 192.168.1.101 24
[FW1-GigabitEthernet1/0/2]quit
[FW1]firewall zone untrust 
[FW1-zone-untrust]add int g1/0/0
[FW1-zone-untrust]quit
[FW1]firewall zone dmz
[FW1-zone-dmz]add int g1/0/1
[FW1-zone-dmz]quit
[FW1]firewall zone trust 
[FW1-zone-trust]add int g1/0/2
[FW1-zone-trust]quit
[FW1]security-policy 
[FW1-policy-security]rule name trust_to_untrust
[FW1-policy-security-rule-trust_to_untrust]source-zone trust 
[FW1-policy-security-rule-trust_to_untrust]destination-zone untrust 
[FW1-policy-security-rule-trust_to_untrust]action permit 
//配置安全策略：内部流量可以到外部
[FW1-policy-security-rule-trust_to_untrust]quit
[FW1-policy-security]rule name local_to_dmz
[FW1-policy-security-rule-local_to_dmz]source-zone local
[FW1-policy-security-rule-local_to_dmz]destination-zone dmz
[FW1-policy-security-rule-local_to_dmz]action permit 
//配置安全策略：从防火墙本身可以到DMZ区域（建立心跳线)
[FW1-policy-security-rule-local_to_dmz]quit
[FW1-policy-security]quit
//FW2的配置与FW1几乎是一模一样的，这里就不多说了
//注意FW2上也需设置相同的规则

（2）配置VRRP备份组

FW1的配置如下：

[FW1]int g1/0/2
[FW1-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 1 virtual-ip 192.168.1.100 active 
[FW1-GigabitEthernet1/0/2]int g1/0/0
[FW1-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.1.1.100 active

FW2的配置如下：

[FW2]int g1/0/2
[FW2-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 1 virtual-ip 192.168.1.100 standby 
[FW2-GigabitEthernet1/0/2]int g1/0/0
[FW2-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.1.1.100 standby

（3）配置心跳接口

[FW1]hrp int g1/0/1  remote 172.16.1.2
//FW1指定心跳接口，并指定对端接口IP地址
[FW2]hrp int g1/0/1 remote 172.16.1.1
//FW同上，这就是为什么防火墙需要设置从本地到DMZ区域的策略

（4）启用双机热备

[FW1]hrp enable
HRP_S[FW1]
//FW1的配置，命令提示符出现了变化
[FW2]hrp enable
HRP_S[FW2]
//FW2同上

（5）配置备份方式

HRP_S[FW1]hrp auto-sync
//配置自动备份

HRP_S[FW2]hrp auto-sync

（6）配置检查及验证
①查看双机热备的状态信息

HRP_M[FW1]display hrp state
 Role: active, peer: standby                            //本端状态为Active，对端为Standby
 Running priority: 45000, peer: 45000            //本端优先级为45000，对端为45000
 Core state: normal, peer: normal
 Backup channel usage: 0.00%
 Stable time: 0 days, 0 hours, 9 minutes
 Last state change information: 2019-10-26 6:29:53 HRP core state changed, old_s
tate = abnormal(active), new_state = normal, local_priority = 45000, peer_priori
ty = 45000.

②查看心跳接口状态

HRP_M[FW1]display hrp interface 
             GigabitEthernet1/0/1 : running

③两台PC配置IP地址及网关（虚拟地址），用PC1pingPC2
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④查看防火墙的会话表

HRP_M[FW1]display firewall session table 
 Current Total Sessions : 2
 udp  : public --> public  172.16.1.2:49152 --> 172.16.1.1:18514
 udp  : public --> public  172.16.1.1:49152 --> 172.16.1.2:18514

⑤PC1持续pingPC2，模拟FW1接口故障

HRP_M[FW1]int g1/0/2（+B）
HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/2]shutdown

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⑥查看FW2双击热备的状态

HRP_M[FW2]display hrp state
 Role: active, peer: standby (should be "standby-active")               //状态发生了变化                      
 Running priority: 45000, peer: 44998                                             //FW1的优先级减2
 Core state: abnormal(active), peer: abnormal(standby)
 Backup channel usage: 0.00%
 Stable time: 0 days, 0 hours, 1 minutes
 Last state change information: 2019-10-26 6:49:06 HRP core state changed, old_s
tate = normal, new_state = abnormal(active), local_priority = 45000, peer_priori
ty = 44998.

实验完成！

———————— 本文至此结束，感谢阅读 ————————