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网关冗余和负载平衡

分类: 文章 • 2023-11-11 11:01:10

为了减少交换机故障的影响，交换上有STP技术。然而作为网关的路由器出故障了，又有什么办法？HSRP和VRRP是最常用的网关冗余技术。HSRP和VRRP类似，由多个路由器共同组成一个组，虚拟一个网关，其中的一台路由器处于活动状态，当它出故障时，由备份路由器接替它的工作，从而实现对用户透明的切换。然而我们希望在冗余的同时，能同时实现负载平衡，以充分利用设备的能力，GLBP同时提供了冗余和负载平衡的能力。本章将介绍它们的具体配置。

1  网关冗余和负载平衡简介

1.1 HSRPHSRP是Cisco的专有协议。

HSRP(Hot Standby Router Protocol)把多台路由器组成一个”热备份组”，形成一个虚拟路由器。这个组内只有一个路由器是活动的（Active），并由它来转发数据包，如果活动路由器发生了故障，备份路由器将成为活动路由器。从网络内的主机来看，网关并没有改变。

HSRP路由器利用Hello包来互相监听各自的存在。当路由器长时间没有接收到Hello包时，就认为活动路由器故障了，备份路由器就会成为活动路由器。HSRP协议利用优先级决定哪个路由器成为活动路由器。如果一个路由器的优先级比其他路由器的优先级高，则该路由器成为活动路由器。路由器的默认优先级是100.在一个组中，最多有一个活动路由器和一个备份路由器。

HSRP路由器发送的多播消息有以下3种。

  • Hello;Hello消息通知其他路由器发送路由器的HSRP优先级和状态信息，HSRP路由器默认为每3 s发送一个Hello消息；
  • Coup;当一个备用路由器变为一个活动路由器时，发送一个Coup消息；
  • Resign;当活动路由器要宕机或者当有优先级更高的路由器发送Hello消息时，主动发送一个Resign消息。

HSRP路由器有以下6种状态。

  • Initial;HSRP启动时的状态，HSRP还没有运行，一般是在改变配置或接口刚刚启动时进入该状态；
  • Learn;路由器已经得到了虚拟IP地址，但是它既不是活动路由器，也不是备份路由器，它一直监听从活动路由器和备份路由器发来的Hello报文；
  • Listen;路由器正在监听Hello消息；

 

 

  • Speak;在该状态下，路由器定期发送Hello报文，并且积极参加活动路由器或备份路由器的竞选；
  • Standby;当活动路由器失效时路由器准备接管数据传输功能；
  • Active;路由器执行数据传输功能。

 

1.2VRRP

VRRP的工作原理和HSRP非常类似，不过VRRP是国际上的标准，允许在不同厂商的设备之间运行。VRRP中虚拟网关的地址可以和接口上的地址相同，VRRP中接口只有3个状态：初始状态（Initialize）、主状态（Master）和备份状态（Backup）。VRRP只有一种报文。

 

1.3GLBP

HSSP和VRRP能实现网关冗余，然而，如果要实现负载平衡，需要创建多个组，并让客户端指向不同的网关。GLBP（Gateway Load Balance Protocol）也是Cisco的专有协议，不仅提供冗余网关功能，还在各网关之间提供负载均衡。GLBP也是由多个路由器组成一个组，虚拟一个网关出来。GLBP选举出一个AVG(Avtive Virtual Gateway)，AVG不是负责转发数据的。AVG分配最多4个MAC地址给一个虚拟网关，并在计算机进行ARP请求时，用不同的MAC进行响应，这样计算机实际就把数据发送给不同的路由器了，从而实现负载平衡。在GLBP中，真正负责转发数据的是AVF（Avtive Virtual Forawarder），GLBP会控制GLBP组中哪个路由器是哪个MAC地址的活动路由器。

AVG的选举和HRSP中活动路由器的选举非常类似，优先级最高的路由器成为AVG，次之的为Abckup AVG，其余的为监听状态。一个GLBP组只能有一个AVG和一个Backup AVG，主AVG失败，备份AVG顶上。一台路由器可以同时是AVG和AVF。AVF是某些MAC的活动路由器，也就是说，如果计算机把数据发往这个MAC，它将接收。当某一MAC的活动路由器有故障时，其他AVF将成为这一MAC的新的活动路由器，从而实现冗余功能GLBP的负载平衡策略可以根据不同主机、简单地轮询，或者根据路由器的权重平衡，默认是轮询方式。

 

2 实验1：HSRP

1.实验目的

通过本实验，读者可以掌握如下技能：

  • 理解HSRP的工作原理；
  • 掌握HSRP的配置

2.实验拓扑

实验拓扑图如图16-1所示。

 

 

网关冗余和负载平衡

图16-1 实验1和实验2拓扑图

3.实验步骤

（1）步骤1：配置IP地址和路由协议等

R1(config)#interface GigabitEthernet0/0

R1(config-if)#ip address 192.168.13.1 255.255.255.0

R1(config)#interface Serial0/0/0

R1(config-if)#ip address 192.168.12.1 255.255.255.0

R1(config)#router rip

R1(config-router)#network 192.168.12.0

R1(config-router)#network 192.168.13.0

R1(config-router)#passive-interface GigabitEthernet0/0

//之所以把g0/0接口设为被接口，是为了防止从该接口发送RIP信息给R3



R2(config)#interface GigabitEthernet0/0

R2(config-if)#ip address 192.168.20.2 255.255.255.0

R2(config)#interface Serial0/0/0

R2(config-if)#clock rate 128000

R2(config-if)#ip address 192.168.12.2 255.255.255.0

R2(config)#interface Serial0/0/1

R2(config-if)#clock rate 128000

R2(config-if)#ip address 192.168.23.2 255.255.255.0

R2(config)#router rip

R2(config-router)#network 192.168.12.0

R2(config-router)#network 192.168.13.0

R2(config-router)#network 192.168.20.0

R2(config-router)#passive-interface GigabitEthernet0/0



R3(config)#interface GigabitEthernet0/0

R3(config-if)#ip address 192.168.13.3 255.255.255.0



R3(config)#interface Serial0/0/1

R3(config-if)#ip address 192.168.23.3 255.255.255.0

R3(config)#router rip

R3(config-router)#network 192.168.23.0

R3(config-router)#network 192.168.13.0

R3(config-router)#passive-interface GigabitEthernet0/0



（2）步骤2：配置HSRP

R1(config)#interface g0/0

R1(config-if)#standby 1 ip 192.168.13.254

//启用HSRP功能，并设置虚拟IP地址，1为Standby的组号。相同组号的路由器属于同一个HSRP组，所有属于同一个HSRP组的路由器的虚拟地址必须一致

R1(config-if)#standby 1 priority 120

//配置HSRP的优先级，如果不设置该项，默认优先级为100 ，该值越大，抢占为活动路由器的优先权越高

R1(config-if)standby 1 preempt

//该设置允许该路由器在优先级是最高时成为活动路由器。如果不设置，即使该路由器权值再，也不会成为活动路由器

R1(config-if)#standby 1 timer 3 10

//其中3为Hello Time，表示路由器每间隔多长时间发送Hello信息。10为Hold Time，表示在多长时间内同组的其他路由器没有收到活动路由器的信息，则认为活动路由器出故障了。该设置的默认值分别为3 s和10 s 。如果要更改默认值，所有同HSRP组的路由器的该项设置必须一致

R1(config-if)#standby 1 authentication md5 key-string cisco

//以上是配置认证密码，防止非法设备加入到HSRP组中，同一个组的密码必须一致



R2（config）#interface g0/0

R2(config-if)#standby 1 ip 192.168.13.254

R2(config-if)standby 1 preempt

R2(config-if)#standby 1 timer 3 10

R2(config-if)#standby 1 authentication md5 key-string cisco

//R2上我们没有配置优先级，默认为100

（3）步骤3：检查、测试HSRP

R1#show standby brief

 

                  P indicates configured to preempt.

                  ｜

Interface Grp  Pri   P  State      Active      Standby         Virtual IP

 Gi0/0    1   120  P  Active         local      192.168.13.3     192.168.13.254

//以上表明R1就是活动路由器，备份路由器为192.168.13.3  

 

R3#show standby brief

                  P indicates configured to preempt.

                  ｜

Interface Grp  Pri   P  State      Active      Standby         Virtual IP

 Gi0/0    1   100  P  Standby  192.168.13.1  local          192.168.13.254

//以上表明R3是备份路由器，活动路由器为192.168.13.1  

在PC1上配置IP地址192.168.13.100/24，网关指向192.168.13.254；在PC3上配置IP地址192.168.20.100/24，网关指向192.168.20.254.注意去掉另一网卡的网关。

在PC1上连续ping PC3上，在R1上关闭g0/0接口观察PC1上ping 的结果。如下：

C;\>ping –t 192.168.20.100

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=9ms TTL=254

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=9ms TTL=254

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=9ms TTL=254

Request timed out.

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=9ms TTL=254

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=9ms TTL=254

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=9ms TTL=254

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=11ms TTL=254

Reply from 192.168.20.100; bytes=32 time=9ms TTL=254

//以上可以看到，R1故障时，R3很快就替代了R1，通信只受到短暂的影响

 

 

R3#show standby brief

                  P indicates configured to preempt.

                  ｜

Interface Grp  Pri   P  State      Active      Standby         Virtual IP

 Gi0/0    1   100  P  Active  local        unknown       192.168.13.254

以上表明R3成为活动路由器

（4）步骤4：配置端口跟踪

在图16-1中，按照以上步骤的配置，如果R1的s0/0/0接口出现问题，R1将没有到达PC3所在网段的路由。然而，R1和R3之间的以太网仍然没有问题，HSRP的Hello包正常发送和接收。因此，R1仍然是虚拟网关192.168.13.254的活动路由器，PC1数据会发送给R1，这样会造成PC1无法ping 通R3.可以配置端口跟踪解决这个问题，端口跟踪使得R1在发现s0/0/0上链路出现问题后，把自己的优先级（设为120）减去一个数字（如30），成为了90 。由于R3的优先级为默认值100，R3就成为活动路由器。配置如下：

R1(config)#int g0/0

R1(config-ig)#standby 1 track s0/0/0 30

//以上表明跟踪的是s0/0/0接口，如果该接口出故障了，优先级降低30.降低的值应该选择合适的值，使得其他路由器能成为活动路由器。按照步骤3测试HSRP的端口跟踪是否生效

（5）步骤5：配置多个HSRP组

之前的步骤已经虚拟了192.168.13.254网关，对于这个网关只能有一个活动路由器，于

 

是活动路由器将承担全部的数据流量。可以再创建一个HSRP组，虚拟出另一个网关192.168.13.253，这时，R3是活动路由器，让一部分计算机指向这个网关，这样就能做到负载平衡。以下是创建2个HSRP给的完整配置。

在R1上：

interface GigabitEthernet0/0

standby 1 ip 192.168.13.254

standby 1 priority 120

standby 1 preempt

standby 1 authentication md5 key-string cisco

standby 1 track Serial0/0/0 30

standby 2 ip 192.168.13.253

standby 2 preempt

standby 2 authentication md5 key-string cisco

在R3上：

interface GigabitEthernet0/0

standby 1 ip 192.168.13.254

standby 1 preempt

standby 1 authentication md5 key-string cisco

standby 2 ip 192.168.13.253

standby 2 priority 120

standby 2 preempt

standby 2 authentication md5 key-string cisco

standby 2 track Serial0/0/0 30

【技术要点】

我们这里是创建了两个HSRP组，第一个组的IP为192.168.13.254，活动路由器为R1，一部分计算机的网关指向192.168.13.254 。第二个组的IP为192.168.13.253，活动路由器为R2，另一部分计算机的网关指向192.168.13.253 。这样，如果网络全部正常时，一部分数据是R1转发的，另一部分数据是R2转发的，实现了负载平衡。如果一个路由器出现问题，则另一个路由器就成为两个HSRP组的路由器，承担全部的数据转发功能。通过这种方式实现负载平衡，需要计算机在设置网关时有所不同，如果计算机的IP是DHCP分配的，就不太方便了。

【技术要点】

HSRP实际上在局域网用得较多，由于局域网内大多使用3层交换机，所以，这时HSRP是在交换机上配置的。

 

 

3 实验2：VRRP

1.实验目的

通过本实验，读者可以掌握如下技能：

  • 理解VRRP的工作原理：
  • 掌握VRRP的配置

2.实验拓扑

实验拓扑图如图16-1所示。

网关冗余和负载平衡

图16-1 实验1和实验2拓扑图

 

3.实验步骤

VRRP的配置和HSRP的配置基本相同，这里不再重复其步骤。

（1）步骤1：配置IP地址和路由协议等

参见实验1.

（2）步骤2：配置多个VRRP组并跟踪接口

在R1上：

R1(config)#track 100 interface Serial0/0/0 line-protocol

R1(config)#interface GigabitEthernet0/0

R1(config-if)#vrrp 1 ip 192.168.13.254

R1(config-if)#vrrp 1 priority 120

R1(config-if)#vrrp 1 preempt

R1(config-if)#vrrp 1authentication md key-string cisco

R1(config-if)#vrrp 1 track 100 decrement 30

R1(config-if)#vrrp 2 ip 192.168.13.253

R1(config-if)#vrrp 2 preempt

R1(config-if)#vrrp 2 authentication md5 key-string cisco

//VRRP的端口跟踪和HSRP有些不同，需要在全局配置模式下，先定义跟踪目标，才配置VRRP中跟踪该目标，这里定义目标100是s0/0/0接口

在R3上：

R3(config)#track 100 interface Serial0/0/0 line-protocol

R3(config)#interface GigabitEthernet0/0

R3(config-if)#vrrp 1 ip 192.168.13.254

R3(config-if)#vrrp 1 preempt

R3(config-if)#vrrp 1authentication md key-string cisco

R3(config-if)#vrrp 2 ip 192.168.13.253

R3(config-if)#vrrp 2 priority 120

R3(config-if)#vrrp 2 preempt



R3(config-if)#vrrp 2 authentication md5 key-string cisco

R3(config-if)#vrrp 3 track 100 decrement 30



R1#show vrrp brief

Interface    Grp    Pri    Time    Own    Pre    State    Master addr    Group addr

Gi0/0        1     120    3531            Y     Master  192.168.13.1    192.168.13.254

Gi0/0        2     100    3609            Y     Backup  192.168.13.3    192.168.13.253

//以上表明R1是192.168.13.254虚拟网关的Master路由器，是192.168.13.253虚拟网关的Backup路由器



R3#show vrrp brief

Interface    Grp    Pri    Time    Own    Pre    State    Master addr    Group addr

Gi0/0        1     100    3609            Y     Backup  192.168.13.1    192.168.13.254

Gi0/0        2     120    3531            Y     Master  192.168.13.3    192.168.13.253

//以上表明R3是192.168.13.253虚拟网关的Master路由器，是192.168.13.254虚拟网关的Backup路由器

（3）步骤3：检查、测试HSRP

参见实验1 。

 

 

4 实验3：GLBP

1.实验目的

通过本实验，读者可以掌握如下技能：

  • 理解GLBP的工作原理；
  • 掌握GLBP的配置。

2.实验拓扑

实验拓扑图如图16-2所示。

网关冗余和负载平衡

图16-2 实验3拓扑

 

3.实验步骤

（1）步骤1：配置IP地址和路由协议等

R1(config)#interface GigabitEthernet0/0

R1(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0

R1(config)#interface GigabitEthernet0/1

R1(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0

R1(config)#router rip

R1(config-router)#network 192.168.1.0

R1(config-router)#network 192.168.2.0

R1(config-router)#passive-interface GigabitEthernet0/0



R2(config)#interface GigabitEthernet0/0

R2(config-if)#ip address 192.168.1.2 255.255.255.0

R2(config)#interface GigabitEthernet0/1

R2(config-if)#ip address 192.168.2.2 255.255.255.0

R2(config)#router rip

R2(config-router)#network 192.168.1.0

R2(config-router)#network 192.168.2.0

R2(config-router)#passive-interface GigabitEthernet0/0



R3(config)#interface GigabitEthernet0/0

R3(config-if)#ip address 192.168.1.3 255.255.255.0

R3(config)#interface GigabitEthernet0/1

R3(config-if)#ip address 192.168.2.3 255.255.255.0

R3(config)#router rip

R3(config-router)#network 192.168.1.0

R3(config-router)#network 192.168.2.0

R3(config-router)#passive-interface GigabitEthernet0/0



R3(config)#interface Loopback0

R3(config-if)#ip address 4.4.4.4 255.0.0.0

R3(config)#interface GigabitEthernet0/1

R3(config-if)#ip address 192.168.2.4 255.255.255.0

R3(config)#router rip

R3(config-router)#network 4.0.0.0

R3(config-router)#network 192.168.2.0

R3(config-router)#passive-interface GigabitEthernet0/0



（2）步骤2：配置GLBP

R1(config)#interface GigabitEthernet0/0

R1(config-if)#glbp 1 ip 192.168.1.254



//和HSRP类似，创建GLBP组，虚拟网关的IP为192.168.1.254

R1(config-if)#glbp 1 priority 200

//配置优先级，优先级高的路由器成为AVG，默认为100

R1(config=if)#glbp 1 preempt

//配置AVG抢占，否则即使优先级再高，也不会成为AVG

R1(config-if)#glbp 1 authentication md5 key-0-string cisco

//以上是配置认证，防止非法设备接入



R2(config)#interface GigabitEthernet0/0

R2(config-if)#glbp 1 ip 192.168.1.254

R2(config-if)#glbp 1 priority 180

R2(config=if)#glbp 1 preempt

R2(config-if)#glbp 1 authentication md5 key-0-string cisco



R3(config)#interface GigabitEthernet0/0

R3(config-if)#glbp 1 ip 192.168.1.254

R3(config-if)#glbp 1 priority 160

R3(config=if)#glbp 1 preempt

R3(config-if)#glbp 1 authentication md5 key-0-string cisco

（3）步骤3：查看GLBP信息

R1#show glbp

GigabitEthernet0/0 – Group 1

State is Active

   4 state changes， last state change 00;18;16

Virtual IP address is 192.168.1.254

//以上是虚拟的IP地址

Hello time 3 sec，hold time 10 sec

  Next Hello sent in 1.896 secs

Redirect time 600 sec ，forwarder time-out 14400 sec

Authentication MD5，key-string”cisco”

Preemption enabled，min delay 0 sec

Active is local

//以上说明R1是活动AVG

Standby is 192.168.1.2，priority 180 (expires in 9.892 sec)  

//以上说明R2是备份AVG

Priority 200(configured)

Weighting 100(default 100)，thresholds;lower 1 ，upper 100

Load balancing;round-robin

Group members;

0019.5535.b548(192.168.1.3)authenticated

 

0019.5535.b828(192.168.1.1)local

0019.5566.6320(192.168.1.2)authenticated

//以上显示GLBP组中的成员

There are 3 forwarders(1 active)Forwarder 1

   State is Listen

      4 state changes，last state change 00;17;08

MAC address is 0007.b400.0101(learnt)

//这是虚拟网关的其中一个MAC

Owner ID is 0019.5535.b548

Redirection enabled，599.984 sec remaining(maximum 600 sec)

Time to live;14399.984 sec (maximum 14400 sec)

Preemption enabled，min delay 30 sec

Active is 192.168.1.3(primary)，weighting 100(expires in 9.984 sec)

Client selection count;1

Forwarder 2

State is Active

   3 state changes，last state change 00;18;28

MAC address is 0007.b400.0102(default)

//以上说明R1是0007.b400.0102的活动路由器，也就是说，如果计算机把数据发往0007.b400.0102，将由R1接收数据，再进行转发

Owner ID is 0019.5535.b828

Redirection enabled

Preemption enabled，min delay 30 sec

Active is local，weighting 100

Client selection count;1

Forwarder 3

State is Listen

   2 state changes，last state change 00;18;06

MAC address is 0007.b400.0103(learnt)

Owner ID is 0019.5566.6320

Redirection enabled， 597.980 sec remaining(maximum 600 sec)

Time to live;14397.980 sec (maximum 14400 sec)

Preemption enabled，min delay 30 sec

Active is 192.168.1.2(primary)，weighting 100(expires in 7.980 sec)

通过查看，可以知道

  1. R1;0007.b400.0102的活动路由器；
  2. R2;0007.b400.0103的活动路由器；
  3. R3;0007.b400.0101的活动路由器。

（4）步骤4：检查GLBP的负载平衡功能

在PC1上配置IP地址，网关指向192.168.1.254，并进行如下操作。

 

C;\>ping 4.4.4.4

C;\>arp –a

Interface;192.168.1.100---0x10006

   Internet Address      Physical Address    Type

   192.168.1.254        00-07-b4-00-01-01   dynamic

以上表明PC1的ARP请求获得网关（192.168.1.254）的MAC为00-07-b4-00-01-01。

C;\>arp –d

//上以是删除ARP缓冲表

C;\>ping 4.4.4.4

C;\>arp –a

Interface;192.168.1.100---0x10006

   Internet Address      Physical Address    Type

   192.168.1.254        00-07-b4-00-01-02   dynamic

以上表明PC1的再次ARP请求获得网关（192.168.1.254）的MAC为00-07-b4-00-01-02，也就是说，在GLBP响应ARP请求时，每次会用不同的MAC响应，从而实现负载平衡。

【提示】

默认时，GLBP的负载平衡策略是轮询方式，可以在接口下使用”glbp 1 load-balancing”命令修改，有以下选项：

  1. host-dependent：根据不同主机的源MAC地址进行平衡；
  2. round-robin：轮询方式，即每响应一次ARP请求，轮换一个地址；
  3. weighted：根据路由器的权重分配，权重高的被分配的可能性越大。

（5）步骤5：检查GLBP的冗余功能

首先在PC1上用”arp –a”命令确认192.168.1.254的MAC地址是什么，从而确定出当前空间是哪个路由器在实际转发数据。在这里，192.168.1.254的MAC地址为00-07-b4-00-01-02，从步骤3得知是R1在转发数据。

在PC1上连续ping 4.4.4.4，并在R1上关闭g0/0接口，观察PC1的通信情况：

C;\>ping –t 4.4.4.4

Reply from 4.4.4.4; bytes=32 time<1ms TTL=254

Reply from 4.4.4.4; bytes=32 time<1ms TTL=254

Request timed out.

Request timed out.

Reply from 4.4.4.4; bytes=32 time<1ms TTL=254

Reply from 4.4.4.4; bytes=32 time<1ms TTL=254

//可以看到R1出故障后，其他路由器很快接替了它的工作，计算机的通信只受到短暂的影响。因此GLBP不仅有负载平衡的能力，也有冗余的能力。可以使用”show glbp”命令查看一下认认谁是00-07-b4-00-01-02这个MAC的新的活动路由器

 

 

5 网关冗余及负载平衡命令汇总

表16-1是本章出现的命令

表16-1 本章命令汇总

命令

作用

standby 1 ip 192.168.13.254

启用HSRP功能，并设置虚拟IP地址

standby 1 priority 120

配置本路由器的HSRP优先级

standby 1 preempt

配置HSRP抢占

standby 1 timers 3 10

设置HSRP的Hello Time 和Hold Time

standby 1 authentication md5 key-string cisco

配置HSRP认证密码，认证方式为MD5

show standby brief

查看HSRP的简要情况

standby 1 track Serial0/0/0 30

跟踪s0/0/0接口，当接口故障时，HSRP优先级降低30

vrrp 1 ip 192.168.13.254

启用VRRP功能，并设置虚拟IP地址

vrrp 1 priority 120

配置本路由器的VRRP优先级

vrrp 1 preempt

配置VRRP抢占

vrrp 1 authentication md5 key-string cisco

配置VRRP认证密码，认证方式为MD5

track 100 interface Serial0/0/0 line-protocol

定义一个跟踪目标号，被跟踪对象为s0/0/0接口

vrrp 1 track 100 decrement 30

跟踪目标100，当目标故障时，优先级降低30

show vrrp brief

查看VRRP的简要情况

glbp 1 ip 192.168.1.254

启用GLBP功能，并设置虚拟IP地址

flbp 1 priority 200

配置本路由器的GLBP优先级

glbp 1 preempt

配置GLBP抢占

glbp 1 authentication md5 key-string cisco

配置GLBP认证密码，认证方式为MD5

show glbp

查看GLBP情况

 

 

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