防火墙双机热备三大协议（VRRP-VGMP-HRP）原理

防火墙双机热备技术

双机热备概述：

为什么需要要双机热备？

解决单点故障，实现业务的平滑过渡（会话表需要同步的）

双机热备的两种部署方式：

1. 主备方式
2. 负载分担分时。

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防火墙双机热备产生的原因，详细内容可参考：防火墙双机热备技术

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三大协议框架：

• VRRP------虚拟路由冗余协议
• VGMP------VRRP组管理协议（华为私有）
• HRP--------华为冗余协议（华为私有）

VRRP协议基本原理

VRRP协议的详细内容可参考：虚拟路由冗余协议（VRRP）

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VRRP的基础知识点：

• VRRP角色： master， backup
• 发送Hello包时间间隔 1s，超时等待 3s。目的地址（组播）：224.0.0.18
• 基于IP协议，协议号为112.
• 选举参数：优先级越大越优，默认优先级100.范围 0-255. 如果优先级相同，IP地址大者优先。

? 图：VRRPv2报文抓包示例

VRRP状态：

VRRP备份组有三种状态：Initialize、Master和Backup。

• Initialize：初始化状态。当设备的VRRP备份组状态为Initialize时，该VRRP备份组处于不可用状态。
• Master：活动状态。VRRP备份组状态为Master的设备被称为Master设备。Master设备拥有VRRP备份组的虚拟IP地址和虚拟MAC地址。Master设备收到目的IP地址是虚拟IP地址的ARP请求时，会响应这个ARP请求。
• Backup：备份状态。VRRP备份组状态为Backup的设备被称为Backup设备。Backup设备不会响应目的IP地址为虚拟IP地址的ARP请求。

VRRP建立过程：

1. 初始状态-----备份
2. 根据优先级和IP地址，选择MASTER和BACKUP(超时定时器）
3. 成为MASTER设备发送免费ARP，刷新交换机的MAC地址表，起到引流的作用
4. 当主机发送ARP请求的时候，只有MASTER设备才能回应ARP-REPLY

VRRP备份组的切换过程：

1. 接口或者整机发现故障，BACKUP设备等待死亡时间

2. BACKUP设备成为MASTER以后，发送免费ARP刷新交换机MAC地址表。

3. PC ARP请求，只有MASTERT设备给回应

VRRP的故障恢复：

抢占过程，默认开启抢占

VRRP缺点：

只能针对单独一个VRPP备份组。

在双机热备防火墙中的问题：

出现状态切换不一致的，导致业务中断。

解决方案：VGMP

VGMP协议基本原理

VGMP简介：

VGMP（VRRP Group Management Protocol）协议是华为公司的私有协议。VGMP协议中定义了VGMP组，FW基于VGMP组实现设备主备状态管理。

为什么有VGMP？

解决VRRP备份组切换不一致性的问题

VGMP报文：

图：VGMP报文

对标准VRRP修改头部

• Type = 1 标准VRRP Type=2

• Vir R ID===等于对应的组号，如果VGMP =0

• 删除优先级字段，增加Type2字段

• Type2= 1 -----------心跳探测报文（验证心跳线接口UP DOWN的问题）
  ? 5------------HRP一致性检查（策略）
  ? 2------------看VGMP的vtype字段
  ? HRP心跳报文（Hello） VGMP报文 HRP数据报文

• VGMP: vPriority 优先级

VGMP优先级：

• 中低端
  Active设备优优先级为65001 Standby设备优先级为65000
• 高端：
  VGMP组初始优先级=45000 + 1000 * LPU板上的插卡个数 + 2 * SPU板上的CPU个数

USG6000，NGFW Module的初始优先级都为45000.

VGMP状态机:

VGMP的状态有:initialize stanby active A-to-S S-to-A

图：VGMP状态机

启用双机热备功能后，各VGMP组进入Initialize（初始化）状态。

1. 启用Active组后，Active组的状态由Initialize切换成Active。
2. 启用Standby组后，Standby组的状态由Initialize切换成Standby。
3. 本端VGMP组监控的接口故障时，状态由Active切换成A to S，并发送VGMP请求报文给对端设备的VGMP组。
4. 本端VGMP组收到对端的VGMP请求报文，发现自身优先级高，则将状态由Standby切换成Acitve，并发送VGMP确认报文给对端设备的VGMP组。
5. 本端VGMP组收到对端的VGMP确认报文，确认本端需要进行状态切换，则本端的VGMP组状态由A to S切换成Standby。
6. 对端VGMP组确认本端的VGMP组不需要进行状态切换或连续三次没有回应本端的VGMP请报文，则本端的VGMP组状态由A to S切换成Active。
7. 7. 本端VGMP组监控的接口故障恢复后，如果本端VGMP组优先级高于对端且配置了抢占功能，则本端VGMP组状态由Standby切换成S to A，并向对端发送VGMP请求报文。
8. 本端VGMP组收到对端的VGMP请求报文，发现对端优先级高，则将状态由Active切换成Standby，并发送VGMP确认报文给对端设备的VGMP组。
9. 本端VGMP组收到对端的VGMP确认报文，确认本端需要进行状态切换，则本端的VGMP组状态由S to A切换成Active，完成抢占过程。
10. 对端VGMP组确认本端的VGMP组不需要进行状态切换或连续三次没有回应本端的VGMP请报文，则本端的VGMP组状态由S to A切换成Standby。

VGMP工作原理：

主备模式

1. 指定设备谁是Active，谁是standby（自己决定）

2. 将VGMP组内所有VRRP备份组状态为指定的Active standby(VRRP备份组状态一致性）

3. Active设备发送免费ARP，刷新交换机MAC地址表（引导流量）

4. 周期性发送HRP心跳报文（周期1S 死亡3S）----------监控Active和Standby状态

VGMP状态切换：

A. 接口或者链路发生故障

过程：
原Active方
接口故障------VRRP备份组变成init-----------VGMP感知，优先级65001-2=64999---------发送VGMP请求报文（携带变化以后的优先级64999）------状态从Active变成 A to S 收到VGMP确认以后--------状态变成Standby，组成所有成员除了故障的都变成Standby

原Standby方
收到VGMP请求报文----------对比优先级--------自己高优先级，切换为Active--------VGMP组内所有的VRRP备份组状态切换为Active-----发送免费ARP刷新交换机MAC地址表-----------回应一个VGMP确认

接口故障时VGMP管理组优先级如何计算？

• 如果接口上配置了VRRP备份组，该接口故障时，VGMP管理组优先级降低2 * 接口上VRRP备份组数量。

• 如果使用hrp track interface命令配置VGMP管理组监控物理接口状态，每一个物理接口故障时，VGMP管理组优先级降低2。

• 如果使用hrp track interface命令配置VGMP管理组监控Eth-Trunk或IP-Trunk接口状态时，缺省情况下，Trunk接口的部分成员接口故障，VGMP管理组的优先级降低 2 * 故障成员接口个数。Trunk接口的所有成员接口故障，优先级降低 2 * （1 + 成员接口个数）。

  使用undo hrp track trunk-member enable命令取消双机热备模块对Eth-Trunk或IP-Trunk成员接口状态的监控后，部分成员接口故障时，优先级不会降低。所有成员接口故障时，优先级降低值为2 * 故障Trunk接口个数。

• 如果接口上配置了VRRP备份组，同时又使用hrp track interface命令配置VGMP管理组监控接口的状态，当接口故障时，VGMP管理组优先级降低值会叠加计算。例如，接口GigabitEthernet 1/0/1上配置了2个VRRP备份组，同时又配置了hrp track interface GigabitEthernet 1/0/1，当GigabitEthernet 1/0/1故障时，VGMP管理组优先级降低6。

• 如果使用hrp track vlan监控VLAN状态，加入该VLAN的接口故障时，VGMP管理组优先级降低2。

B. 整机或者心跳线发现故障

整机故障-------------主DOWN了，备的成为主

心跳线故障-----------会出现双主（双活）

收不到HRP心跳报文（V100中是3次，3s。 V500版本中是5次，5s ）------------切换---------组内所有VRRP备份组都变成Active---------发送免费ARP，刷新MAC地址表

C. 故障恢复, 抢占功能开启

接口恢复------状态变成Standby----------VGMP优先级64999+2 =65001 ---------等待抢占延迟时间到(默认60S）----发送VGMP请----------状态S-to-A状态 收到确认以后变成S-to-A变成Active ----组内所有VRRP备份变成Active—发送免费ARP刷新交换机MAC地址表

收到VGMP请求报文----------对比优先级--------自己低优先级，切换为Standby-------组内所有VRRP备份组切换为Standby----发送VGMP确认

VGMP故障检测：

分类：直连和非直连

针对直连故障

A. 检测VRRP备份组状态
适用场景：防火墙业务接口工作在三层，上下接交换机（二层）

B. 检测三层接口的状态
适用场景： 防火墙业务接口工作在三层，上下接路由器
int xxxx
hrp track xxxx

C 检测VLAN接口状态
适用场景：防火墙业务接口工作在二层，上下接交换机（或者上下接路由器）
vlan xxx
hrp track XXXX

非直连故障

IP-LINK

BFD

IP-link：

IP-Link是指FW通过向指定的目的IP周期性地发送探测报文并等待应答，来判断链路是否发生故障。

FW发送探测报文后，在三个探测周期（默认为15s）内未收到响应报文，则认为当前链路发生故障，IP-Link的状态变为Down。随后，FW会进行IP-Link Down相关的后续操作，例如双机热备主备切换等。

当链路从故障中恢复，FW能连续地收到3个响应报文，则认为链路故障已经消除，IP-Link的状态变为Up。也就是说，链路故障恢复后，IP-Link的状态并不会立即变为Up，而是要等三个探测周期（默认为15s）才会变为Up。

图：IP-link状态，默认发送时间间隔5s。

主备切换的时间多长？

主备切换的时间与其触发条件有关。

• 如果由接口或链路故障触发主备切换，切换时间为毫秒级。
• 如果由整机故障触发切换，切换时间为（V500版本）5个心跳报文的发送间隔。V100中3个心跳报文时间。

VGMP引导流量方式：

• 虚拟IP引流
  适用场景：防火墙业务接口工作在三层，上下接交换机（二层）

• OSPF COST引流
  适用场景： 防火墙业务接口工作在三层，上下接路由器

• VLAN禁用和启动引流
  适用场景：防火墙业务接口工作在二层，上下接交换机（或者上下接路由器）

• 动态路由引流
  适用场景： 防火墙业务接口工作在三层，上下接路由器

HRP协议基本原理

为什么会有HRP：

HRP实现备份会话表等状态信息和关键的配置。

HRP报文：

HRP报文实际上是一种VGMP报文，承载在VGMP报文的Data区域。当然也存在两种封装方式。

管理面HRP报文两种封装：

管理面HRP报文中会携带以下信息：指定自动备份还是批量备份、指定是发送还是应答、备份的数据类型。

转发面HRP同步报文（实时备份报文）也有两种封装：

HRP报文封装：

封装VRRP，组播224.0.0.18 -------不需要受安全策略监控

封装UDP， 单播 -------需要受安全策略监控

配置心跳线的时候需要考虑加不加remote。

HRP备份方式：

• 自动备份 ----默认方式
• 手动备份-----批量方式 （hrp sync config 手动触发批量备份）
• 快速备份 ----- 针对负载分担

备份通道状态：

当设备两边均配置心跳口后，防火墙会判断心跳接口的物理与协议状态。心跳链路一共存在五种状态：

1. running：正常运行。 -----能够发送报文
2. ready：正常运行。次接口为备用备份通道，当前未使用。 -
3. peerdown：本段正常，但是收不到对端的心跳报文。
4. invalid：未指定心跳接口的IP地址，心跳口工作在二层。
5. down：心跳接口的物理状态与协议状态都为DOWN。

当有多根心跳线时，哪个接口先配置的心跳线，即哪个接口的状态先成为ready，当两端心跳线通信时，先成为ready的接口就会成为running

当本端running接口down时，第二成为ready的接口会代替down的接口成为本端设备的running口。

继承顺序按照成为ready的时间，没有比较优先级等。只看时间戳。

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当两端的心跳线有多根时，如果两端的running口不是一根链路，也可以正常通信。

防火墙备份通道选择：

• 防火墙通过VGMP链路探测报文检测通道的质量，只要本段发送的探测报文对应可以收到并回应，那么就认为本段该心跳接口可通，与对端配置顺序无关。
• 当本段心跳接口发生故障时，那么本段将立刻切换到第一个处于ready状态的心跳接口。此动作与对端无关。

心跳线：

双机热备组网中，心跳线是两台FW交互消息了解对端状态以及备份配置命令和各种表项的通道。心跳线两端的接口通常被称之为“心跳接口”。

心跳线主要传递如下消息：

• 心跳报文（Hello报文）：两台FW通过定期（默认周期为1秒）互相发送心跳报文检测对端设备是否存活。
• VGMP报文：了解对端设备的VGMP组的状态，确定本端和对端设备当前状态是否稳定，是否要进行故障切换。
• 配置和表项备份报文：用于两台FW同步配置命令和状态信息。
• 心跳链路探测报文：用于检测对端设备的心跳口能否正常接收本端设备的报文，确定是否有心跳接口可以使用。
• 配置一致性检查报文：用于检测两台FW的关键配置是否一致，如安全策略、NAT等。

主备备份和负载分担工作原理

FW支持主备备份和负载分担模式两种运行模式。

主备备份：

主备备份指正常情况下仅由主用设备处理业务，备用设备空闲；当主用设备接口、链路或整机故障时，备用设备切换为主用设备，接替主用设备处理业务。

流量由单台设备处理，相较于负载分担模式，路由规划和故障定位相对简单。

负载分担：

所谓负载分担，也可以称为“互为主备”，即两台设备同时处理业务。当其中一台设备发生故障时，另一台设备会立即承担其业务，保证原来需要通过这台设备转发的业务不中断。

防火墙缺省提供两个VGMP管理组：Active组和Standby组。主备备份时只有个VGMP管理组在工作。负载分担时两个VGMP管理组同时工作，工作原理完全相同。

相较于主备备份模式，组网方案和配置相对复杂。

负载分担组网中使用入侵防御、反病毒等内容安全检测功能时，可能会因为流量来回路径不一致导致内容安全功能失效。

负载分担组网中配置NAT时，需要额外的配置来防止两台设备NAT资源分配冲突。

负载分担模式组网中流量由两台设备共同处理，可以比主备备份模式或镜像模式组网承担更大的峰值流量。

负载分担模式组网中设备发生故障时，只有一半的业务需要切换，故障切换的速度更快。

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参考文档：华为HedEx文档

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