华为防火墙VRRP双机热备的原理及配置

Posted 2020-12-01

一、何为双机热备？
所谓的双机热备无非就是以7X24小时不中断的为企业提供服务为目的，各种双机热备的技术很多，那么华为使用了这个共有协议的热备协议——VRRP。

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。

华为防火墙的双机热备包含以下两种模式：

• 热备模式：同一时间只有一台防火墙转发数据，其他防火墙不转发，但是会同步会话表及server-map表，当目前工作的防火墙宕机以后，备份防火墙接替转发数据的工作。
• 负载均衡模式：同一时间内，多台防火墙同时转发数据，并且互为备份，每个防火墙既是主设备，也是备用设备。防火墙之间同步会话表及server-map表。

二、VRRP的概念
VRRP（virtual router redundancy protocol，虚拟路由冗余协议），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。

VRRP的相关专业术语介绍：

• 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一个备份组，一个备份组对客户端提供一个虚拟网关。
• VRID：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其他路由器（包括当前的主用路由器），则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其他路由器（包括当前的主用路由器），也不会立即成为主用路由器，直到下一次公平选举（如重启设备等）。

三、VRRP的两种角色

工作在VRRP模式下的路由器有两种角色，分别是Master路由器和Backup路由器。

• 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，从而保证业务不中断。

四、VRRP的选举流程
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。
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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。
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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。
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五、VRRP的三个状态

VRRP定义了三种状态，分别如下：

• Initalize状态：刚配置了VRRP时的状态下，在该状态下，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master路由器时的一种状态，该状态下会转发数据报文，并周期性地发送VRRP通告报文，当接口关闭或设备宕机后将立即切换至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，该状态不转发任何数据报文，只会接收master路由器发送VRRP通告报文，以便检测master路由器是否在正常工作，并且还同步主用设备上的状态信息。

六、通过VGMP统一管理VRRP的状态
在网络设备上使用VRRP和在其他情景下（Linux中的KeepAlived也使用了VRRP协议）使用并不一样，存在的原因如下图：

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。
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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）中的接口发生变化（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）。

可以简单理解为，VGMP就是用来统一设备在不同备份组中的状态的即可。

VGMP的工作原理如下：

• 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。
• 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。
1、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：

如上图中左边的网络图中，心跳线（G1/0/0）和对端的心跳线直连，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，而当心跳线通过三层设备（当然这种情况并不多见）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头部消息，此时发送的报文属于单播。

通过以下命令指定通过接口发送的报文属于哪种类型的封装。

[USG6000V1]hrp interface GigabitEthernet 1/0/0       <!--eNSP模拟器中不支持该配置-->
[USG6000V1]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-->

关于配置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。

2、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。

各个模式的配置命令如下：

（1）开启双机热备功能：

[USG6000V1]hrp enable    
HRP_S[USG6000V1]       <!--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[USG6000V1]hrp auto-sync 
HRP_M[USG6000V1]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<USG6000V1>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[USG6000V1]hrp mirror session enable 
HRP_M[USG6000V1]      <!--配置快速备份模式后，开头会变成HRP_M.....-->

3、关于上游或下游设备的选路问题
当双机热备的设备上游或下游是交换机时，是通过VRRP检测接口或设备的状态，但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，并配置OSPF实现流量切换，通过直接将接口加入VGMP组中，当接口故障时（即使是对端设备故障，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、配置实例
环境如下（别看上面啰嗦了那么一堆概念，但真正配置起来，简单的很，但是若要排错，还是要理解透彻它的工作原理）：

声明：该环境不以实际环境为目的，目的是为了介绍防火墙的双机热备，所以这是一个简化环境。

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。
开始配置：
FW1配置如下：

<USG6000V1>sys      <!--进入系统视图-->
<!--以下是在配置相应接口IP-->
[USG6000V1]in g1/0/0
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]ip add 10.1.1.101 24
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]in g1/0/1
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/1]ip add 172.16.1.1 24
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/1]in g1/0/2
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]ip add 192.168.1.101 24
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]quit
<!--以下是在将接口添加至相应区域-->
[USG6000V1]firewall zone trust
[USG6000V1-zone-trust]add in g1/0/2
[USG6000V1-zone-trust]firewall zone dmz
[USG6000V1-zone-dmz]add in g1/0/1
[USG6000V1-zone-dmz]firewall zone untrust
[USG6000V1-zone-untrust]add in g1/0/0
[USG6000V1-zone-untrust]quit
<!--以下是设置一个策略，放行本地到dmz区域的流量，以便使VGMP报文通过-->
[USG6000V1]security-policy 
[USG6000V1-policy-security]rule name permit_heat
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]source-zone local
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]destination-zone dmz
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]action permit 
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]quit
[USG6000V1-policy-security]quit
<!--其实在配置完双机热备再配置该策略也可以，但是为了保险起见，就先配置上这个策略-->
 <!--以下是在配置VRRP备份组-->
[USG6000V1]in g1/0/0
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.1.1.100 active
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]in g1/0/2
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 1 virtual-ip  192.168.1.100 active
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]quit

 [USG6000V1]hrp in g1/0/1 remote 172.16.1.2    <!--配置心跳接口，指定对端设备-->
[USG6000V1]hrp enable    <!--启用双机热备-->
HRP_S[USG6000V1]hrp auto-sync <!--配置备份方式为自动备份-->

至此，FW1的配置暂时就完成了。开始配置FW2，FW2的配置与FW1的配置类似，就不写注释了
FW2配置如下：

<USG6000V1>sys
[USG6000V1]in g1/0/0
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]ip add 10.1.1.102 24
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]in g1/0/1
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/1]ip add 172.16.1.2 24
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/1]in g1/0/2
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]ip add 192.168.1.102 24
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]quit
[USG6000V1]firewall zone trust
[USG6000V1-zone-trust]add in g1/0/2
[USG6000V1-zone-trust]firewall zone untrust
[USG6000V1-zone-untrust]add in g1/0/0
[USG6000V1-zone-untrust]firewall zone dmz
[USG6000V1-zone-dmz]add in g1/0/1
[USG6000V1-zone-dmz]quit
[USG6000V1]security-policy 
[USG6000V1-policy-security]rule name permit_heat
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]source-zone local
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]destination-zone dmz
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]action permit
[USG6000V1-policy-security-rule-permit_heat]quit
[USG6000V1-policy-security]quit
[USG6000V1]in g1/0/0
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.1.1.100 standby 
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]in g1/0/2
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 1 virtual-ip  192.168.1.100 standby 
[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/2]quit
[USG6000V1]hrp in g1/0/1 remote 172.16.1.1
[USG6000V1]hrp enable
HRP_S[USG6000V1]hrp auto-sync

配置至此，双机热备状态已经同步了，现在FW2为备份状态，多数配置已经无法在FW2上进行，只能在FW1上配置后，自动同步到FW2，那么现在在FW1配置一条策略，以便允许trust区域访问untrust区域，并且在FW2防火墙设备上查看是否同步到这条策略。
FW1配置如下：

<!--可以看到每条命令后面自动跟一个“（+B），表示该命令可以同步。”-->
HRP_M[USG6000V1]security-policy  (+B)
HRP_M[USG6000V1-policy-security]rule name test1 (+B)
HRP_M[USG6000V1-policy-security-rule-test1]source-zone trust  (+B)
HRP_M[USG6000V1-policy-security-rule-test1]destination-zone untrust  (+B)
HRP_M[USG6000V1-policy-security-rule-test1]action permit  (+B)
HRP_M[USG6000V1-policy-security-rule-test1]quit
HRP_M[USG6000V1-policy-security]quit

FW2设备上查看是否有FW1创建的策略：

HRP_S[USG6000V1]security-policy         <!--抱歉，备份设备已经进不去安全策略模式了-->
 Error: The device is in HRP standby state, so this command can not be executed.
 HRP_S[USG6000V1]dis current-configuration  <!--别担心，还可以查看当前所有策略嘛-->
         ...................... <!--省略部分内容-->
security-policy
 rule name permit_heat
  source-zone local
  destination-zone dmz
  action permit
 rule name test1        <!--可以看到刚才创建的名为test1策略已经同步过来了-->
  source-zone trust
  destination-zone untrust
  action permit

配置R1路由器及PC及的IP地址，并ping通。

R1路由器配置如下（R1路由器相当于运营商的公网上的路由器了，这里只是为了模拟一个这样的环境）：

<Huawei>sys
[Huawei]in g0/0/0
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]ip add 10.1.1.1 24
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0]quit
[Huawei]ip route-static 192.168.1.0 24 10.1.1.100     
           <!--
添加一条去往内网的路由，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。
                  -->

PC1的IP地址配置网关为虚拟IP，PC1的IP地址配置网关为虚拟IP，PC1的IP地址配置网关为虚拟IP
PC1和R1路由器进行ping测试（最好在命令最后加“-t”选项，进行持续ping，以便查看会话表，否则会话表会老化，查不到相应数据）：

在FW1查看会话表：

HRP_M[USG6000V1]dis firewall session table 
 Current Total Sessions : 24
 icmp  ×××: public --> public  192.168.1.1:17547 --> 10.1.1.1:2048
 icmp  ×××: public --> public  192.168.1.1:18059 --> 10.1.1.1:2048
 icmp  ×××: public --> public  192.168.1.1:14987 --> 10.1.1.1:2048

在FW2查看会话表：

HRP_S[USG6000V1]dis firew se ta
 Current Total Sessions : 26
 icmp  ×××: public --> public  Remote 192.168.1.1:9099 --> 10.1.1.1:2048
 icmp  ×××: public --> public  Remote 192.168.1.1:9611 --> 10.1.1.1:2048
 icmp  ×××: public --> public  Remote 192.168.1.1:10891 --> 10.1.1.1:2048
 icmp  ×××: public --> public  Remote 192.168.1.1:12171 --> 10.1.1.1:2048

可以看出两个防火墙上的会话表内容都是不一样的（但不会影响故障切换）。
那么现在就可以进行故障切换的验证咯！

模拟FW1设备故障（关闭FW1的任意一个接口即可，注：此时PC1还在持续pingR1，才可以看到故障切换的效果）：

HRP_M[USG6000V1]in g1/0/0 (+B)
HRP_M[USG6000V1-GigabitEthernet1/0/0]shutdown
 <!--“shutdown”命令系统是不会同步到对端防火墙的，要不然就没得玩了，
 你看它后面都没有 (+B)-->

在关闭接口的后的一两秒钟，可以看到PC1丢了一个包，便又恢复正常了，说明故障切换成功。如下：

配置到此结束，下面是关于双机热备的一些查询命令：

 <!--查看双机热备的状态信息，主要看是Role和peer的信息，
 Role表示本端，peer表示对端。
 Running priority表示本端的优先级，peer表示对端的优先级。
 -->
HRP_S[USG6000V1]display hrp state     
 Role: standby, peer: active (should be "active-standby")
 Running priority: 44998, peer: 45000
                      ......................        <!--省略部分内容-->

HRP_S[USG6000V1]dis hrp interface           <!--查看心跳接口状态-->     
             GigabitEthernet1/0/1 : running

八、总结

1、两台防火墙用于心跳线的接口需要加入相同的安全区域。
2、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。
3、建议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。
4、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。如在上面环境中，FW1配置时配置为active状态，然后FW1设备down掉了，此时FW2由standby状态变为active状态，那么，此时再买来一台FW3想要重新加入备份组，在配置时，须配置为active。如该条命令：vrrp vrid 1 virtual-ip 192.168.1.100 active。不过还有个弊端，就是配置后，新买的FW3变成了active状态，但是FW2上有很会话表就同步不了了，因为只有备份设备去同步活跃设备，活跃设备是不会去同步备份设备的状态的，所以，还是先将FW2重新使用vrrp vrid 1 virtual-ip 192.168.1.100 active这条命令，将原始的状态变为active状态，然后在配置FW3时，直接将FW3配置为standby状态，会话表便可同步成功（关于FW3如何将FW2的安全策略同步过来，我没有搞明白，如果哪位知道怎么同步安全策略的，还希望写在评论中），在FW3加入备份前，我手动配置了相关的安全策略。