本發明涉及虛擬路由冗余協議(VRRP)技術領域，尤其涉及一種VRRP路由器切換方法、路由器、VRRP主備切換系統及存儲介質。

背景技術：

虛擬路由冗余協議(Virtual Router Redundancy Protocol，簡稱VRRP)是由國際互聯網工程任務組(Internet Engineering Task Force，IETF)提出的解決局域網中配置靜態網關出現單點失效現象的協議。最新協議在RFC3768中定義。VRRP廣泛應用在邊緣網絡中，它的設計目標是使得在發生故障而進行設備功能切換時可以不影響內外數據通信，不需要再修改內部網絡的網絡參數，VRRP協議需要具有IP地址備份，優先路由選擇，減少不必要的路由器間通信等功能。

在VRRP協議中，有兩組重要的概念：VRRP路由器和虛擬路由器，主控路由器和備份路由器。VRRP路由器是指運行VRRP的路由器，是物理實體，虛擬路由器是指VRRP協議創建的，是邏輯概念。一組VRRP路由器協同工作，共同構成一臺虛擬路由器。該虛擬路由器對外表現為一個具有唯一固定IP地址和MAC地址的邏輯路由器。處于同一個VRRP組中的路由器具有兩種互斥的角色：主控路由器(或稱主用路由器)和備份路由器(或稱備用路由器)，一個VRRP組中有且只有一臺主控路由器，可以有一個或多個備份路由器。VRRP協議使用選擇策略從路由器組中選出一臺作為主控路由器，負責地址解析協議(Address Resolution Protocol，ARP)響應和轉發IP數據包，組中的其它路由器作為備份路由器處于待命狀態。當主控路由器發生故障時，備份路由器能在幾秒鐘的時延后升級為主路由器。由于此切換非常迅速而且不用改變IP地址和MAC地址，故對終端使用者系統是透明的。只有當這個VRRP組中的所有的路由器都不能正常工作時，該域中的主機才不能與域外界通信。

在現有VRRP協議的競選機制中，當主控路由器和備份路由器的VRRP鏈路發生中斷或者主控路由器出現故障時，備份路由器將在等待一段長為主控路由器失效間隔(Master_Down_Interval)的時間后如果沒有收到主控中路由器的廣告(ADVERTISEMENT)報文將認為它失效，自動轉換到主控狀態，并將自己廣告出去。其中，

Master_Down_Interval＝3*Advertisement_Interval+(256-優先級)/256；

為了減少網絡流量以降低路由器負荷，廣告報文間隔

Advertisement_Interval不會設置的太短(缺省為1s)，因此備份路由器接替主控路由器的等待時間一般也在秒級，默認配置下約為3.6秒。

VRRP作為設備和鏈路保護技術，如今被廣泛應用到包括運營商語音、核心網等各種承載網絡中，由于語音業務對實時性要求非常高，如果發生幾十毫秒級別的流量瞬斷，用戶基本沒有感覺，或者略有輕微的停頓感。如果超過秒級的流量中斷，用戶就會發現通話出現故障了。

綜上所述，VRRP協議中的主備路由器切換速度有必要進行進一步的優化提高。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種VRRP路由器切換方法、路由器、VRRP主備切換系統及存儲介質，能夠大大提高故障情況下的網絡收斂速度。

第一方面，本發明實施例提供了一種VRRP路由器切換方法，該方法包括以下步驟：

VRRP備份路由器檢測在數據鏈路層是否接收到目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文；

在確定接收到目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文情況下，轉發所述報文；以及

VRRP備份路由器切換為VRRP主控路由器。

第二方面，本發明實施例提供了一種VRRP路由器，該路由器中具有處理器和存儲器，該存儲器中存儲有計算機程序，在該計算機程序被處理器執行時實現如下方法步驟：

從數據鏈路層接收交換機廣播的報文；

在所述VRRP路由器處于備份狀態且確定接收的報文的目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的情況下，轉發所述報文；以及

進行備份狀態到主控狀態的切換。

第三方面，本發明實施例提供了一種VRRP主備切換系統，該系統包括：VRRP主控路由器、VRRP備份路由器以及交換機；

所述交換機在其與VRRP主控路由器的業務中斷時，則將發送給所述VRRP主控路由器的報文進行廣播；

所述VRRP備份路由器檢測在數據鏈路層是否接收到目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文，并在確定接收到目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文的情況下，轉發所述報文，并進行備份狀態到主控狀態的切換。

第四方面，本發明實施例提供了一種計算機存儲介質，該存儲介質存儲有計算機程序，在計算機程序被執行時實現如上所述的VRRP路由器切換方法。

本發明實施例提供的VRRP路由器切換方法、VRRP路由器、VRRP主備切換系統能夠大大提高VRRP主控路由器業務故障情況下的業務流量恢復收斂速度，并且協議改動較小，僅在轉發層面進行優化，不涉及協議標準的根本改變，實現較為簡單。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1示出了現有虛擬路由器中各VRRP路由器的狀態示意圖。

圖2示出了本發明一個實施例中VRRP路由器切換方法的流程示意圖。

圖3示出了本發明另一實施例中VRRP網絡運行環境示意圖。

圖4示出了本發明又一實施例中VRRP主備切換系統的示意性框圖。

具體實施方式

下面將詳細描述本發明的各個方面的特征和示例性實施例，為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應理解，此處所描述的具體實施例僅被配置為解釋本發明，并不被配置為限定本發明。對于本領域技術人員來說，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明更好的理解。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

圖1示出了現有虛擬路由器中各VRRP路由器的狀態示意圖。組成虛擬路由器的路由器會有三種狀態分別是初始化(Initialize)，主控(Master)和備份(Backup)。

1.初始化狀態：系統啟動后進入初始化狀態，當收到接口啟動(startup)的消息，將轉入備份(優先級不為255時)或主控(狀態優先級為255時)狀態。在初始化狀態，路由器不會對VRRP報文做任何處理。

2.主控狀態：當路由器處于主控狀態時它將會做下列工作：

(1)定期發送VRRP組播報文；只有主控路由器可以定期發布VRRP廣告消息(如保活(keep-alive)消息)，它使用IP多播數據包進行封裝，發布范圍只限于同一局域網內；

(2)發送免費ARP(gratuitous ARP)報文，以使網絡內各主機知道虛擬IP地址所對應的虛擬MAC地址；

(3)響應對虛擬IP地址的ARP請求，并且響應的是虛擬MAC地址，而不是接口的真實MAC地址；

(4)轉發目的MAC地址為虛擬MAC地址的IP報文；

(5)如果路由器是這個虛擬IP地址的擁有者，則接收目的IP地址為這個虛擬IP地址的IP報文，否則，丟棄這個IP報文。需要注意的是，由于有這一點要求，所以除非主路由器是IP地址擁有者，否則主機ping虛擬IP地址不能ping通；在主控狀態中只有接收到比自己的優先級大的VRRP報文時，才會轉為備份狀態，只有當接收到接口的關機(Shutdown)事件時才會轉為初始化狀態。

3.備份狀態：當路由器處于備份狀態時它將會做下列工作：

(1)接收主控路由器發送的VRRP組播報文，目的是從中了解主控路由器的狀態，但是并不對組播報文進行任何的轉發處理。備份路由器在連續三個通告間隔內收不到VRRP或收到優先級為0的通告后啟動新的一輪VRRP選舉。

(2)對虛擬IP地址的ARP請求，不做響應。

(3)丟棄目的MAC(媒體控制協議)地址為虛擬MAC地址的IP報文。

(4)丟棄目的IP地址為虛擬IP地址的IP報文。

只有當備份路由器接收到MASTER_DOWN這個定時器到時的事件時，才會轉為主控狀態，而當接收到比自己的優先級小的VRRP報文時，它只是做丟棄這個報文的處理，從而就不對定時器做重置處理，這樣定時器就會在若干次這樣的處理之后到時，于是就轉為主控狀態。只有當接收到接口的關機事件時，才會轉為初始化狀態。

在本發明實施例中，對VRRP網絡故障情況下的轉發流程進行了優化改進，處于備份狀態的VRRP備份路由器，在收到數據鏈路層目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文時，不再丟棄而是將其進行轉發。使網絡故障情況下VRRP備份路由器能夠即時轉發主控路由器轉發的報文，提升了VRRP的主備切換效率，優化語音用戶的使用體驗，拓展了VRRP協議的使用范圍。

圖2所示為本發明實施例中VRRP路由器切換方法的流程示意圖。如圖2所示，該方法包括如下步驟：

步驟S210，備份路由器檢測在數據鏈路層是否接收到目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文。

根據VRRP協議，備份路由器是知曉VRRP組虛擬MAC地址的。虛擬路由器MAC地址是虛擬路由器根據虛擬路由器ID生成的MAC地址，格式為：00-00-5E-00-01-{VRID}。當虛擬路由器回應ARP請求時，使用虛擬MAC地址，而不是接口的真實MAC地址。

由于備份路由器可知曉VRRP組虛擬MAC地址，因此備份路由器就可以檢測在數據鏈路層是否收到目的MAC地址為虛擬MAC地址的報文。

通常情況下，備份狀態下的備份路由器不會收到目的MAC地址為虛擬MAC地址的報文的，因為這個MAC地址只有主控狀態的路由器才會通告。二層網絡的交換機會根據MAC表將數據報文發送給主控路由器。但是，如果二層網絡的交換機發生了業務中斷，例如和主控路由器互聯的接口斷鏈，或主控路由器發生故障。此時，交換機會將數據報文(如業務流量)廣播給同VLAN的其他端口，處于備份狀態下的路由器就收到了此類報文。

如果備份路由器檢測到在數據鏈路層接收到目的MAC地址為虛擬MAC地址的報文時，繼續進行下一步驟S230。否則繼續檢測。

步驟S230，備份路由器轉發目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文。

如上所述，如果二層網絡的交換機發生了業務中斷，例如和主控路由器互聯的接口斷鏈。此時，交換機會清空VRRP主控路由器對應的MAC轉發表，對數據報文(如業務流量)進行廣播轉發，即將數據報文廣播給同VLAN的其他端口，處于備份狀態下的備份路由器就收到了此類報文。

如果按照原始做法，備份狀態的路由器將此類報文丟棄，那么本來已經切換到備份鏈路的流量在路由器由備份轉為主控的過程中將仍舊處于中斷狀態，無法實現快速收斂。本發明中，備份狀態的路由器不是丟棄報文，而是轉發該報文，使得流量快速恢復，從而有效地縮短業務中斷時間。經過在實際組網的檢驗測試，路由器例如選用ZXR10 3884，配置VRRP虛地址作為用戶網關，在不調整VRRP缺省廣告間隔(Advertisement_Interval)的情況下，VRRP的主備收斂時間從理論的3S下降到10ms左右，主備切換速度提升效果十分顯著，語音用戶對網絡故障和主備的切換基本無感知。

步驟S250，備份路由器經過一定時間轉換為主控路由器，按照VRRP協議機制轉發業務流量。

按照標準的VRRP協議，主控路由器故障情況下，經過一定的時間(缺省為3.6秒)，備份路由器轉換為主控路由器。備份路由器可基于優先級經過預定等待時間(如失效間隔Master_Down_Interval)后自動切換為主控路由器。此時二層交換機學習到目的地址，不再將數據報文廣播，轉換后的主控路由器可按照標準的VRRP協議機制轉發業務流量。

在RFC3768中定義VRRP備份路由器不轉發目的MAC為VRRP虛MAC的流量。本發明中的技術優化主要針對這一點在轉發層面進行了改進，使得備份路由器在尚未切換為主用路由器的時候也可以轉發流量，使VRRP網絡在故障情況下能夠快速收斂。同時在協議層面仍舊按照RFC3768的標準制定，在VRRP網絡環境未出現故障的情況下，備份路由器收到主控路由器轉發的報文是不會回應的。即是說，在備份路由器正式切換為主控路由器之前，備份路由器也不會轉發目的IP地址為虛擬IP地址的IP報文。這也保證了和不同廠家設備對接時，在VRRP基本協議方面不會存在兼容性問題，即使其他設備不支持備份路由器的快速轉發，VRRP仍能在標準時間內正常切換。

本發明如上所述的VRRP路由器切換方法，具有如下優點：

(1)VRRP業務流量轉發恢復速度更快，效果上相當于主備切換速度更快，經測試使用此技術能將VRRP主備的“切換”收斂速度從秒級提升到毫秒級。

(2)協議改動較小，僅在轉發層面進行優化，不涉及協議標準的根本改變，實現較為簡單。

圖3所示為本發明實施例中VRRP網絡運行環境示意圖。在如圖3所示的VRRP網絡環境中，當網元到主控路由器的鏈路中斷或者主控路由器出現故障(單板損壞或者設備重啟)后，交換機會清空主控VRRP的MAC轉發表，對于數據報文(如業務流量)轉而進行廣播轉發，備份路由器將收到的廣播流量轉發給網元，藉此實現VRRP主備的快速切換。也就是說，本發明實施例中，實現VRRP主備路由器能夠快速切換的關鍵在于：處于備份狀態的VRRP備份路由器，在數據鏈路層收到目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的報文時，不再丟棄而是將其進行轉發。

如果按照原始做法，備份狀態的路由器將在數據鏈路層收到目的MAC地址為虛擬路由器MAC地址的此類報文丟棄后，本來已經切換到備份鏈路的流量在路由器由備份狀態轉為主控狀態的過程中將仍舊處于中斷狀態，無法實現快速收斂。如果備份狀態的路由器能夠轉發該報文，那么流量會快速恢復，從而有效地縮短業務中斷時間。經過在實際組網的檢驗測試，路由器選用ZXR10 3884，配置VRRP虛地址作為用戶網關，在不調整VRRP缺省Advertisement_Interval的情況下，VRRP的主備收斂時間能夠從理論的3秒下降到10毫秒左右，主備切換速度提升效果十分顯著，語音用戶對網絡故障和主備的切換基本無感知。

同時，由于本發明對現有協議改動較小，僅在轉發層面進行優化，不涉及協議標準的根本改變，實現起來較為簡單。

為了實現上述方法，還發明還提供了一種VRRP主備切換系統，如圖4所示，該系統包括：VRRP主控路由器410、VRRP備份路由器420以及交換機430。交換機430在其與VRRP主控路由器的鏈路中斷時廣播數據報文。VRRP備份路由器420檢測到在數據鏈路層接收到目的MAC地址為虛擬MAC地址的報文的情況下，轉發該報文，并進行備份路由器到主控路由器的切換。具體地，存在多個備份路由器的情況下，可基于現有VRRP協議的競選機制(如基于備份路由器的優先級)進行主備切換，經過預定等待時間(如失效間隔)后自動切換為主控路由器。

又一方面，結合圖2描述的本發明實施例的VRRP路由器切換方法可以由VRRP備份路由器設備來實現。例如，VRRP路由器設備可以包括處理器以及存儲有計算機程序指令的存儲器。處理器通過讀取并執行存儲器中存儲的計算機程序指令，以實現上述實施例中的任意一種VRRP路由器切換方法。

另外，結合上述實施例中的VRRP路由器切換方法，本發明實施例可提供一種計算機可讀存儲介質來實現。該計算機可讀存儲介質上存儲有計算機程序指令；該計算機程序指令被處理器執行時實現上述實施例中的任意一種VRRP路由器切換方法。

需要明確的是，本發明并不局限于上文所描述并在圖中示出的特定配置和處理。為了簡明起見，這里省略了對已知方法的詳細描述。在上述實施例中，描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是，本發明的方法過程并不限于所描述和示出的具體步驟，本領域的技術人員可以在領會本發明的精神后，作出各種改變、修改和添加，或者改變步驟之間的順序。

以上所述的結構框圖中所示的功能塊可以實現為硬件、軟件、固件或者它們的組合。當以硬件方式實現時，其可以例如是電子電路、專用集成電路(ASIC)、適當的固件、插件、功能卡等等。當以軟件方式實現時，本發明的元素是被用于執行所需任務的程序或者代碼段。程序或者代碼段可以存儲在機器可讀介質中，或者通過載波中攜帶的數據信號在傳輸介質或者通信鏈路上傳送。“機器可讀介質”可以包括能夠存儲或傳輸信息的任何介質。機器可讀介質的例子包括電子電路、半導體存儲器設備、ROM、閃存、可擦除ROM(EROM)、軟盤、CD-ROM、光盤、硬盤、光纖介質、射頻(RF)鏈路，等等。代碼段可以經由諸如因特網、內聯網等的計算機網絡被下載。

還需要說明的是，本發明中提及的示例性實施例，基于一系列的步驟或者裝置描述一些方法或系統。但是，本發明不局限于上述步驟的順序，也就是說，可以按照實施例中提及的順序執行步驟，也可以不同于實施例中的順序，或者若干步驟同時執行。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為了描述的方便和簡潔，上述描述的系統、模塊和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。應理解，本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。

總結

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