網絡鏈路冗余的設計與實現

王 東

（長春職業技術學院，130033）

0 引言

路由器是整個網絡的核心，如果路由器發生故障，將導致“信息孤島”，造成的損失難以估計。因此，對路由器采用熱備份是提高網絡可靠性的必然選擇。在一個路由器完全不能工作的情況下，它的作用被系統中的另一個備份路由器完全接管，直至出現問題的路由器恢復正常。

1 熱備份路由器協議

熱備份路由協議（HSRP，Hot Standby Router Protocol）是一種路由冗余解決方案。

HSRP 支持IP 傳輸失敗情況下的不中斷服務。在源主機無法動態地學習到首跳路由器IP 地址的情況下，防止首跳路由的失敗。HSRP 能解決路由器由于自身的故障、局端端口的故障、所連接內網設備的端口或線路的故障，而導致的網絡癱瘓的問題。主要用于多點接入，多播和廣播式局域網。HSRP 是基于UDP協議的，使用1985 號端口，多播地址為224.0.0.2，TTL 為1。

一組運行HSRP 協議的路由器就稱為一個 HSRP 組或備份組。所有參與HSRP 組的路由器共用一個虛擬的MAC 地址及虛擬IP 地址，網絡中的主機將缺省網關指向該虛地址。這個組中將選出一個路由器來負責轉發由主機發給虛擬路由器的數據包。這個路由器就稱為活動路由器。另一臺路由器將被選為待機路由器。在活動路由器失效的情況下，待機路由器將承擔活動路由器的包的轉發功能。活動路由器回應客戶端對虛擬路由器的ARP 查詢，轉發需要通過虛擬路由器轉發的數據包，發送Hello包；待機路由器是活動路由器的一個候選者，偵聽Hello 包。被選出的活動路由器負責轉發由工作站發到虛地址的數據包。

HSRP 協議首選根據優先級來判斷HSRP 組中的哪臺路由器是活動路由器。HSRP 組中具有最高優先級的路由器會成為活動路由器，路由器的缺省HSRP 優先級是100。在一個HSRP 組中只設置一臺路由器的優先級高于100，其它均使用默認值，則該路由器將會成為活動路由器。如果優先級相同，則比較IP 地址，具有最小IP 地址的路由器會成為活動路由器。

HSRP 組中的路由器交換三種多點廣播消息：Hello 消息通知其他路由器發送路由器的HSRP 優先級和狀態信息；當一個備用路由器變為一個主動路由器時發送一個Coup 消息；當主動路由器要宕機或者當有優先級更高的路由器發送hello 消息時，主動路由器發送一個Resign 消息。

HSRP 組中的路由器將會周期性的廣播Hello 消息包，并利用Hello 消息包來選擇活動路由器和待機路由器。HSRP 組的路由器之間廣播HSRP 優先級，選出當前的活動路由器。當在預先設定的一段時間內HSRP 檢測不到活動路由器的Hello 消息時，將認為活動路由器有故障，這時HSRP 會選擇一個優先級最高的待機路由器變為活動路由器，同時再選擇一臺路由器作為新的待機路由器。Hello time 是指一個給定路由器成功地發出兩個hello 包之間的時間間隔。Hold time 是指假定發送路由器失敗的情況下，收到兩個hello 消息包之間的間隔。

在同一個子網中，可以使用多組HSRP 實現負載均衡和故障轉移。

HSRP 組中的路由器共有六種狀態：

Initial：HSRP 啟動時的狀態，HSRP 還沒有運行，一般是在改變配置或端口剛剛啟動時進入該狀態。

Learn：路由器已經得到了虛擬IP 地址，但是它既不是活動路由器也不是等待路由器。它一直監聽從活動路由器和等待路由器發來的Hello 報文。

Listen：路由器正在監聽Hello 消息。

Speak：在該狀態下，路由器定期發送Hello 報文，并且積極參加活動路由器或等待路由器的競選。

Standby：當主動路由器失效時路由器準備接管包傳輸功能。

Active：路由器執行包傳輸功能。

其它技術細節可參考RFC 2281。

2 生成樹協議

生成樹協議（STP，Spanning-Tree Protocol）是二層管理協議。它提供了多鏈路冗余，通過交換機構建無環路網絡的方法來實現。

在一個擴展的局域網中參與STP 的所有交換機之間通過交換橋協議數據單元BPDU 來實現；為穩定的生成樹拓撲結構選擇一個根橋，根橋是整個交換網絡的參考點，來維護整個網絡的拓撲結構；每個交換網段選擇一臺指定交換機；將冗余路徑上的交換機置為Blocking，來消除網絡中的環路。

IEEE 802.1d 是最早關于STP 的標準，它提供了網絡的動態冗余切換機制。STP 能在網絡設計中部署備份線路，并且保證：在主線路正常工作時，備份線路是關閉的；當主線路出現故障時自動使能備份線路，切換數據流。

3 網絡冗余在組網中的應用

3.1 組網需求

一些通信質量要求高的部門和單位，要求的是不間斷的高質量通信。作為網絡管理人員應能充分利用寬帶，又能在線路出現故障的時候，保證通信的正常。企業由于業務需要，劃分多個VLAN。為保證線路的可靠性，在交換機上做雙鏈路連接，并達到負載均衡；在路由器上采用備份技術，保證在路由器出現故障的情況下，繼續發往該路由器的數據包不會丟失，能夠自動由其它路由器發送出去。

3.2 配置分析

網絡內的主機以HSRP 虛擬路由器作為缺省網關并向其發送數據，兩個啟動了HSRP 的路由器通過競爭來擔當該虛擬路由器的角色并負責這些數據的轉發。如圖1 所示。

在交換機上，配置VTP 域，減輕管理VLAN 的負擔；配置VLAN 虛擬端口IP 地址；在雙鏈路上做TRUNK；啟用STP，并控制鏈路開銷值，使數據通信達到負載均衡。在路由器上，配置接口的IP 地址；在接口下啟用HSRP，使一臺路由器成為活動路由器，另一臺成為待機路由器；在路由器上做NAT 轉換；配置靜態路由，實現到廣域網的通信。

圖1 網絡冗余設計

3.3 關鍵設備配置

3.3.1 主機配置

VLAN2 內的主機PC-A 配置IP 為192.168.21.1/24，網關為172.16.1.254（HSRP 組的虛擬IP 地址）；VLAN3 內的主機PC-B 配置IP 為192.168.31.1/24，網關為172.16.1.254（HSRP組的虛擬IP 地址）。

3.3.2 交換機配置

以交換機S1 為例，說明如何進行配置。交換機S2 的配置與交換機S1 的配置類似，在此沒有給出具體命令。

設置VTP Server 并創建VLAN：

為交換機S1 配置VLAN 虛擬端口配置IP 地址：

將fa0/14 和fa0/15 配置為TRUNK，并控制fa0/15 成為vlan 3 生成樹的根端口：

將fa0/2 口加入vlan 2：

配置默認路由：

3.3.3 路由器RA 和RC 的配置

路由器RA 和RC 的配置類似，在此只給出路由器RA 的配置命令。

配置接口：

配置路由：

配置NAT：

4 結論

熱待機路由協議能在網絡內提供趨于100%的數據轉發能力，盡量保證在路由器出現故障的情況下，繼續發往該路由器的數據包不會丟失，能夠自動由其它路由器發送出去。對用戶來說，這種網絡的變化是透明的。本文通過分析網絡需求，設計了采用HSRP、VLAN、PVST 等技術的一個企業網絡，為企事業單位提供了一個高可用、高安全的網絡案例。

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