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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 来源:网络 阅读:1753 作者:俊伟祺i 栏目:网络管理

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:

  • 热备模式:同一时间只有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。

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

  • VRRP路由器:运行VRRP协议的路由器。
  • 虚拟路由器:由一个主用路由器和若干个备用路由器组成的一个备份组,一个备份组对客户端提供一个虚拟网关。
  • VRID:Virtual Router ID,虚拟路由器标识,用来唯一的标识一个备份组。
  • 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。
  • 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,主用路由器将提供该MAC地址。
  • 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实IP地址,那么该成员被称为IP地址拥有者。
  • 优先级:用于标识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。
  • 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。
  • 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)。

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

  • 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路由器发生故障时,在所有的backup路由器中优先级高的路由器将成为新的master路由器,接替转发数据包的工作,从而保证业务不中断。

四、VRRP的三个状态机

  • Initialize状态:刚配置了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或接口故障时也将进入该状态。
  • Master状态:当前设备选举成为主用路由器时一种状态。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,并将模拟MAC地址回送客户机,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时的一种状态。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。

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

  • 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4500。
  • 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。
  • VGMP通过心跳线协商VGMP状态信息。
  • 在加入VGMP组之后,VRRP中的状态标识从master和backup变成了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:

  • 加入了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(如不带remote参数的VGMP报文)禁止单播流量(如带remote参数的VGMP报文),所以如果配置了remote参数,还需要配置local区域和心跳线接口所在的区域之间配置安全策略。
  • 配置了VRRP virtual-mac enable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。
  • eNSPoint模拟器中,即使心跳接口之间相连,也必须配置remote参数,否则无法配置。

3、双机热备的备份方式

双机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。
  • 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,只有在手工执行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设备和备用设备配置不同步,需要立即进行同步的场景。
  • 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,该默认必须启用,以快速更新状态信息。

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

  • 两台防火墙用于心跳线的接口需要加入相同的安全区域。
  • 两台防火墙用于心跳线的接口的编号必须一致,如都是G1/0/1。
  • 用于双机热备的两台防火墙采用相同的型号,相同的VRP版本。连接同一个设备(路由器或交换机)都使用同一个接口编号。
  • 当热备组中的设备坏掉后,买来新的设备进行加入热备组时,在配置时,原来坏掉的那台设备在VGMP中配置的是active,哪怕现在备份组中有设备处于active状态,新买来的设备必须也配置active状态,否则无法协商。
向AI问一下细节

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