VRRP. Bild zeigt die Adressangaben in einem IP-Paket bei dessen Übermittlung über die Grenze eines IP-Subnetzes hinweg.

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1 VRRP Virtual Router Redundancy Protocol Autor: Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach Auszug aus dem Werk: Herausgeber: Heinz Schulte WEKA-Verlag ISBN Netzwerke auf Basis des Internet Protocol (IP) bestehen in der Regel aus mehreren IP-Subnetzen, die über Router miteinander verbunden werden. Will ein Quellrechner beispielsweise ein IP-Paket an einen Zielrechner in einem anderen IP-Subnetz übermitteln, muss er das IP-Paket zur Weiterleitung in das andere IP-Subnetz an einen Router übergeben, welcher quasi als Vermittlungsstelle zwischen IP- Subnetzen dient und als Default Gateway (DG) bzw. als Default Router (DR) bezeichnet wird. Aus diesem Grund muss jedem Rechner bei seiner Konfiguration das Default Gateway bekannt gemacht werden. Wird aber nur ein einziges Default Gateway in einem IP-Subnetz eingesetzt, dann haben, falls dieses ausfallen sollte, die Rechner in diesem IP- Subnetz keine Möglichkeit mehr, IP-Pakete in andere IP-Subnetze zu übermitteln. Man sollte deshalb in einem wichtigen IP-Subnetz immer mehrere Router einsetzen und diese sollten sich wie ein einziges Default Gateway verhalten d.h. quasi als virtueller Router (Virtual Router, VR) angesehen werden. Diese Wunschvorstellung kann mithilfe von VRRP realisiert werden. Mit diesem Protokoll können mehrere Router derartig redundant ausgelegt werden, dass sie sich wie ein einziges Default Gateway verhalten. Aus diesem Grund muss jedem Rechner bei seiner Konfiguration das Default Gateway bekannt gemacht werden. Wird aber nur ein einziges Default Gateway in einem IP-Subnetz eingesetzt, dann haben, im Fall, dass dieses ausfallen sollte, die Rechner in diesem IP-Subnetz keine Möglichkeit mehr, IP-Pakete in andere IP- Subnetze zu übermitteln. Man sollte deshalb in einem wichtigen IP-Subnetz immer mehrere Router einsetzen und diese sollten sich wie ein einziges Default Gateway verhalten d.h. quasi als virtueller Router (Virtual Router, VR) angesehen werden. Diese Wunschvorstellung kann mithilfe von VRRP realisiert werden. Mit diesem Protokoll können mehrere Router derartig redundant ausgelegt werden, dass sie sich wie ein einziges Default Gateway verhalten. Die Bedeutung von VRRP besteht also darin, dass es ermöglicht, mehrere Router redundant auf eine solche Art und Weise auszule- 1

2 gen, dass sie zusammen wie ein virtueller Router agieren also als ein einziges Default Gateway dienen. In solch einem Router- Verbund agiert immer ein Router als sog. Master-Router und fungiert als Koordinator. Fällt der Master-Router aus, übernimmt ein anderer sog. Backup-Router mithilfe von VRRP, dynamisch also ohne manuelle Umschaltung die Rolle des ausgefallenen Master- Routers. Demzufolge ist die Funktion des Default Gateway nach dem Ausfall eines physischen Routers weiterhin verfügbar. Die erste Version des VRRP wurde bereits im April 1998 im RFC 2338 spezifiziert. Die darauf folgenden Entwicklungen auf dem Gebiet der hochverfügbaren Netzwerkinfrastrukturen haben aber dazu geführt, dass schon im April 2004 die zweite Version von VRRP als RFC 3768 veröffentlicht wurde. In März 2010 wurde die dritte Version von VRRP im RFC 5798 spezifiziert. Diese berücksichtigt die Besonderheiten der beiden Internetprotokolle IPv4 und IPv6. Grundlegende Regel bei der Übermittlung jedes IP-Pakets Ein Netzwerk kann sich aus mehreren IP-Subnetzen zusammensetzen, die über Router miteinander verbunden werden. Beim Absenden jedes IP-Pakets muss im Quellrechner ermittelt werden, ob dieses für einen Zielrechner im gleichen IP-Subnetz also im Heimat -IP-Subnetz des Quellrechners oder für einen Rechner in einem Fremd -IP-Subnetz bestimmt ist. Dem VRRP liegt beim Absenden jedes IP-Pakets folgende, grundlegende Regel zugrunde: Befindet sich der Zielrechner im gleichen IP-Subnetz, so wird das IP-Paket direkt an ihn geschickt. Befindet sich der Zielrechner nicht im gleichen IP-Subnetz, wird das IP-Paket an einen Router übergeben, der es daraufhin in ein anderes IP-Subnetz weiterleitet. Bild zeigt die Adressangaben in einem IP-Paket bei dessen Übermittlung über die Grenze eines IP-Subnetzes hinweg. 2

3 Bild : Übermittlung eines IP-Pakets zwischen verschiedenen IP-Subnetzen a, b, v, w: MAC-Adressen MAC: Media Access Control x, y: IP-Adressen Im Allgemeinen ist die IP-Adresse eines Rechners einem Kommunikationspuffer an der Grenze zwischen den Transportprotokollen TCP 1 oder UDP 2 und dem Internetprotokoll IP, also an der Grenze zwischen den Schichten 3 und 4 im Rechner zuzuordnen. Bild bringt dies zum Ausdruck. Der Transport eines IP-Pakets vom Rechner A mit der IP-Adresse x zum Rechner B mit der IP- Adresse y ist folglich als Übermittlung des Pakets vom Kommunikationspuffer x im Rechner A zum Kommunikationspuffer y im Rechner B zu interpretieren. Jeder physische Port im Router besitzt eine MAC- und eine IP- Adresse. Bei der Konfiguration eines Rechners in einem IP-Subnetz wird die IP-Adresse, die der Port im Router seitens dieses IP- Subnetzes hat, als Default Gateway angegeben. Um die MAC- 1 Transmission Control Protocol 2 User Datagram Protocol 3

4 Adresse, die dieser IP-Adresse des Routers entspricht, zu ermitteln, wird das Address Resolution Protocol (ARP) verwendet. 3 Wird ein IP-Paket in ein anderes IP-Subnetz übermittelt, so muss es an einen als Default Gateway dienenden Router übergeben werden. Somit wird das betreffende IP-Paket in einem MAC-Frame mit der Ziel-MAC-Adresse des Routers abgeschickt. Dieser leitet das IP- Paket weiter und sendet es in einem anderen MAC-Frame in das andere IP-Subnetz. Befindet sich der Zielrechner im gleichen IP- Subnetz, wird das IP-Paket direkt an den Zielrechner gesendet und demzufolge die MAC-Adresse des Zielrechners als Ziel-MAC-Ziel- Adresse im MAC-Frame angegeben. Es sei hervorgehoben, dass bei der Übermittlung eines IP-Pakets über einen Router seine IP-Adresse unverändert bleibt (s. Bild ). Die MAC-Ziel-Adresse im MAC-Frame wird dagegen neu gesetzt. Redundante Auslegung von Routern ohne VRRP In der Praxis werden Router oft als Angabe Default Gateway Rechnern in der Regel statisch zugeordnet und bei deren Konfiguration manuell eingetragen. In diesen Fällen wirkt sich der Ausfall eines Routers besonders stark aus. Er führt dazu, dass alle Rechner innerhalb eines IP-Subnetzes nicht mehr in der Lage sind, Daten mit Rechnern aus anderen IP-Subnetzen auszutauschen, also sozusagen von der Außenwelt abgeschnitten werden. Aus diesem Grund sollten in wichtigen IP-Subnetzen mehrere Router redundant ausgelegt werden. Insbesondere ein Router, der für viele Rechner als Default Gateway konfiguriert ist, benötigt einen Backup-Router, welcher notfalls die Funktion des Default Gateway übernehmen kann. Bild illustriert den Einsatz von zwei Routern als Default Gateways. 3 ARP kommt nur beim Internetprotokoll IPv4 zum Einsatz. Da bei IPv6 die MAC-Adressen als Angabe Interface Identification in globalen Unicast-Adressen, welche den öffentlichen IPv4-Adressen entsprechen, enthalten sind, ist bei IPv6 die Funktion von ARP nicht mehr nötig. 4

5 Bild : Redundante Auslegung von Routern ohne VRRP DG: Default Gateway R: Router Ohne den Einsatz von VRRP müssen dem Rechner zwei Default Gateways bekannt sein, die er jeweils als primär und als sekundär interpretiert. Das kommt aber nur dann in Frage, wenn das Netzwerkbetriebssystem die Möglichkeit bietet, in der Rechnerkonfiguration mehrere Default Gateways anzugeben. Diese Lösung ist außerdem einerseits enorm aufwendig und andererseits schützt sie nur ungenügend vor einem Totalausfall, denn das Betriebssystem prüft in der Regel lediglich beim Start (Booten des Rechners), ob das primäre Default Gateway verfügbar ist. Ist das primäre Default Gateway nicht verfügbar, wird zunächst geprüft, ob das nächste eingestellte (d.h. sekundäre) Gateway erreichbar ist. Ist dies der Fall, wird das sekundäre Gateway verwendet. Aber wie gesagt, dieser Test wird in der Regel nur beim Booten des Rechners durchgeführt. Prinzip redundanter Auslegung von Routern mit VRRP Es gibt zahlreiche Fälle, in denen Rechner nur ein Default Gateway akzeptieren. Beim Ausfall des Gateway können sie folglich auf kein redundantes Gateway zugreifen. Um in einem solchen Fall eine redundante Auslegung von Default Gateways zu ermöglichen, müssen sich zwei physikalische Router nach außen hin als virtueller Router präsentieren, der über eine virtuelle IP-Adresse (Virtual IP Address, VIP) erreichbar ist. Ein virtueller Router muss ebenfalls eine MAC-Adresse besitzen. Diese wird virtuelle MAC-Adresse (Virtual MAC Address, VMAC) genannt. 5

6 Bild illustriert das Prinzip der redundanten Auslegung von Routern beim Einsatz von VRRP. Dieses Prinzip basiert darauf, dass einer der beiden Router als Master-Router fungiert. Er ist der Router, der aktuell für die Weiterleitung aller IP-Pakete, die an die VIP übergeben werden, zuständig ist. Außerdem beantwortet er die Anfragen des Protokolls ARP (nur bei IPv4!). Der Master-Router dient immer als Default Gateway. Sollte der Master-Router ausfallen, übernimmt automatisch der bis dahin als Backup dienende Router seine Funktion. Bild : Redundante Auslegung von Routern mithilfe von VRRP DG: Default Gateway R: Router VIP: Virtual IP Address VMAC: Virtual MAC Address VR: Virtual Router Im hier gezeigten Beispiel gibt es im IP-Subnetz A einen virtuellen Router, der über die VIP X erreicht werden kann. Der Router R 1 fungiert als Master-Router und dient daher als Default Gateway. Weil die virtuelle IP-Adresse gleichzeitig die tatsächliche IP- Adresse des Master-Routers ist, wird dieser Router bei VRRP als IP Address Owner bezeichnet. Bei der gerade beschriebenen Lösung ist es wichtig, dass die beiden Router d.h. Master-Router und Backup-Router nach außen hin sowohl mit derselben virtuellen IP-Adresse (VIP = X) als auch mit derselben MAC-Adresse (VMAC = a) auftreten. Fällt der Master- Router aus, ist der Backup-Router unter derselben VIP = X ansprechbar und übernimmt den Datentransport. Die beteiligten Rech- 6

7 ner bemerken in diesem Fall also nichts vom Ausfall des Routers. Sie sprechen ihr Default Gateway weiterhin wie gewohnt über die VIP = X an. Hervorzuheben ist, dass mehrere Router als Backup-Router eingesetzt werden können (Bild ). VRRP beschreibt, wie sich die beteiligten Router synchronisieren, um sich nach außen hin als virtueller Router präsentieren zu können. Hierbei sendet der Master- Router regelmäßig sog. VRRP-Advertisements, um den Backup- Routern die eigene Funktionsfähigkeit ( Ich lebe noch! ) zu signalisieren. Wichtig ist, dass die Synchronisierung von Routern, die einen virtuellen Router bilden, für die normalen Rechner nicht bemerkbar ist. Das heißt, die Rechner glauben, dass sie es immer mit ein und demselben Router als Default Gateway zu tun haben. Nach VRRP werden den einzelnen Routern verschiedene Prioritäten zugewiesen. Der intakte Router, der über die höchste Priorität verfügt, dient immer als Master-Router. Alle anderen Router, die eine niedrigere Priorität besitzen, fungieren als Backup-Router. Einer von ihnen je nach Priorität übernimmt nach dem Ausfall des Master- Routers dessen Rolle und folglich die Funktion des Default Gateway. Lastverteilung mit VRRP In Bild stellt der Backup-Router nur eine passive Redundanz dar. Das heißt, solange der Master-Router intakt ist, hat er nichts zu tun. Interessanter ist aber der in der Praxis auftretende Fall, bei dem beide Router gleichzeitig aktiv sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass mehrere virtuelle Router definiert werden, sodass die Lastverteilung (Load Sharing, LS) auf mehrere Default Gateways erfolgen kann. Bild illustriert eine solche Lösung. Anzumerken ist hier, dass jeder Router gleichzeitig mehreren virtuellen Routern angehören muss. Im hier gezeigten Beispiel wird der Datenverkehr auf beide Router verteilt. Auf diese Weise lässt sich eine Lastverteilung auf mehrere Default Gateways erreichen. 7

8 Bild : Prinzip der Lastverteilung mithilfe von VRRP Abkürzungen wie in Bild Um eine Lastverteilung zu erreichen, müssen zwei virtuelle Router VR 1 und VR 2 entsprechend konfiguriert werden. Hierbei gehört jeder physische Router zu den beiden virtuellen Routern. In diesem Fall ist der Router R 1 der IP Address Owner 4 und somit der Master für VR 1 mit VIP=X und der Backup-Router für VR 2. Der Router R 2 hingegen ist der IP Address Owner und damit der Master für VR 2 mit VIP=Y und der Backup-Router für VR 1. Jedem virtuellen Router wird eine Identifikation (Virtual Router Identifier, VRID) zugeteilt. Die Konfiguration für die virtuellen Router in Bild kann daher wie folgt aussehen: Priorität von R 1 virtueller Router 1: VRIP 1, VIP = X 255 (Master) IP Address Owner virtueller Router 2: VRIP 2, VIP = Y 100 (Backup) Priorität von R (Backup) 255 (Master) IP Address Owner Die einzelnen Rechner im IP-Subnetz A müssen so konfiguriert werden, dass ein Teil von ihnen die VIP = X als Default Gateway (DG) eingetragen hat und der andere Teil die VIP = Y. Dies bedeutet, dass im Normalfall der Router R 1 für alle Rechner mit dem Eintrag DG = X und der Router R 2 für alle Rechner mit dem Eintrag 4 Dies bedeutet, dass die IP-Adresse des Routers R 1 die VIP für VR 1 ist. 8

9 DG = Y als Default Gateway fungiert. Demzufolge findet eine Lastverteilung statt genauer gesagt, die Verteilung des in das IP- Subnetz B führenden Datenverkehrs. Weil der Router R 2 als Backup-Router für VR 1 dient, würde er bei einem Ausfall von R 1 zusätzlich dessen Master-Aufgabe übernehmen. So wäre der Router R 2 dann der Master-Router für die beiden virtuellen Router und dadurch das Default Gateway für alle Rechner im IP-Subnetz A. Umgekehrt dient der Router R 1 als Backup-Router für VR 2 und würde bei einem Ausfall von R 2 ebenfalls dessen Master-Aufgabe übernehmen. Somit würde er dann als Master-Router für beide virtuellen Router und gleichzeitig als Default Gateway für alle Rechner im IP-Subnetz A dienen. Fällt einer der beiden Router R 1 oder R 2 aus, dann geht zwar der Vorteil der Lastverteilung verloren, aber das Netzwerk bleibt weiterhin funktionsfähig. VRRP und das Internetprotokoll IPv6 Es sei hervorgehoben, dass die in den Bildern und dargestellten Prinzipien für die redundante Auslegung von Routern nach RFC 5798 auch beim Internetprotokoll IPv6 gelten. Bei IPv6 stellt die IPv6-Adresse des Routers seine Link-Local-IPv6-Adresse dar. Demzufolge ist bei IPv6 die VIP die Link-Local-IPv6-Adresse des Master-Routers. Für die Fortsetzung siehe: Fachkompendium Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA-Verlag, ISBN-13: