华为防火墙VRRP双机热备的原理及实例配置

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：

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：

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

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。

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       [FW1]hrp interface GigabitEthernet 1/0/0 remote 1.1.1.1

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]         

2）配置自动备份模式：

HRP_M[FW1]hrp auto-sync HRP_M[FW1]security-policy  (+B)   

3）配置手工批量备份模式：

HRP_Mhrp sync [ config | connection-status ]          

4）配置快速备份模式：

HRP_S[FW1]hrp mirror session enable HRP_M[FW1]      

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：

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：

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      [FW1-GigabitEthernet1/0/0]ip add 10.1.1.1 24   [FW1-GigabitEthernet1/0/0]quit [FW1]int g1/0/1           [FW1-GigabitEthernet1/0/1]ip add 10.2.1.1 24    [FW1-GigabitEthernet1/0/1]quit[FW1]int g1/0/2      [FW1-GigabitEthernet1/0/2]ip add 10.3.1.1 24  [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              [FW1]firewall zone untrust        [FW1-zone-untrust]add int GigabitEthernet 1/0/0   [FW1-zone-untrust]quit[FW1]firewall zone dmz         [FW1-zone-dmz]add int GigabitEthernet 1/0/1      [FW1-zone-dmz]quit[FW1]firewall zone trust       [FW1-zone-trust]add int GigabitEthernet 1/0/2      [FW1-zone-trust]quit[FW1]security-policy         [FW1-policy-security]rule name ha        [FW1-policy-security-rule-ha]source-zone local        [FW1-policy-security-rule-ha]source-zone dmz      [FW1-policy-security-rule-ha]destination-zone local     [FW1-policy-security-rule-ha]destination-zone dmz       [FW1-policy-security-rule-ha]action permit        [FW1-policy-security-rule-ha]quit[FW1-policy-security]quit[FW1]security-policy          [FW1-policy-security]rule name nat      [FW1-policy-security-rule-nat]source-zone trust        [FW1-policy-security-rule-nat]destination-zone untrust      [FW1-policy-security-rule-nat]action permit        [FW1-policy-security-rule-nat]quit[FW1-policy-security]qui[FW1]nat address-group NAPAT          [FW1-address-group-napat]section 0 1.1.1.1 1.1.1.1   [FW1-address-group-napat]quit[FW1]nat-policy      [FW1-policy-nat]rule name natpolicy    [FW1-policy-nat-rule-natpolicy]source-zone trust    [FW1-policy-nat-rule-natpolicy]destination-zone untrust   [FW1-policy-nat-rule-natpolicy]action nat address-group NAPAT         [FW1-policy-nat-rule-natpolicy]quit[FW1-policy-nat]quit[FW1]hrp int g 1/0/1 remote 10.2.1.2  [FW1]hrp enable   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 enableHRP_S[FW2]hrp standby-device

开始配置VRRP

FW1配置VRRP如下：

HRP_M[FW1]int g1/0/0 (+B)            HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 1.1.1.1 255.255.255.0 active            HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/0]quitHRP_M[FW1]int g1/0/2 (+B)        HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.3.1.3 active          HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/2]quit

FW2配置VRRP如下：

HRP_S[FW2]int g1/0/0           HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/0]vrrp vrid 1 virtual-ip 1.1.1.1 255.255.255.0 standby        HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/0]quitHRP_S[FW2]int g1/0/2            HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/2]vrrp vrid 2 virtual-ip 10.3.1.3 standby       HRP_S[FW2-GigabitEthernet1/0/2]quitHRP_S[FW2]dis hrp state  

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  [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           

PC配置如下：

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：

抓包查看流量转换

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)     HRP_M[FW1-GigabitEthernet1/0/0]shutdown   

PC1客户端ping路由器R1，防火墙FW2查看会话表

抓包查看

PC2客户端ping路由器R1，防火墙在FW2查看会话表

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。