GLBP和SLA协议实现多出口校园网高可靠性

孙光懿，　郭建忠

(1. 天津音乐学院 图书信息中心， 天津 300171； 2. 天津科技大学 信息化建设与管理办公室， 天津 300222)

0　引　言

随着网络技术日新月异地发展，各高校校园网规模呈现出逐年扩大的趋势，校园网能否安全稳定运行直接关系到学校的稳定和广大师生的切身利益。

目前，多数高校校园网出口均引入了多条ISP出口线路，出口带宽有了很大提高，但是网络不稳定的现象时有发生，校园网用户满意度不高。构建一个高可靠性的校园网，使广大师生可以全年不间断的正常访问互联网，已成为各高校急需解决的难题。为了有效解决这一难题，我们提出了将多台路由器部署在网络出口处，各路由器之间应用网关负载均衡协议(GLBP)[1-2]并分别启用服务等级协议(SLA)的解决方案。GLBP协议主要用来实现校园网内三层网关的冗余和流量负载均衡[3-8]。不仅强壮性高而且应用配置也相对简单便捷，最关键的一点它可以更加灵活的进行负载分担配置，无需像HSRP协议和VRRP协议那样需要组建多个组，并让用户指向不同网关才可以实现负载分担，在一定程度上减少了网络管理者的工作强度，同时也减少了配置过程中出错的几率。SLA协议主要用来监控ISP接入路由器的可用性。

1　相关技术

1.1　GLBP协议简介

GLBP是由思科公司在2005年提出的私有协议，目前广泛应用在3层网络设备中，用来弥补HSRP协议在负载均衡和安全性方面的不足。GLBP协议工作原理和HSRP协议颇有类似之处，但是GLBP协议更能充分利用网络设备资源，组中的每个路由器都可以进行数据包转发，而HSRP协议只能由活动路由器进行数据包转发，其他路由器并不参与数据包的转发。GLBP协议支持MD5密钥认证并最多可支持建立1 024个组，组中成员之间通过向组播地址224.0.0.12每间隔3 s发送一次HELLO数据包来进行通信，以便确定AVG状态是否可用。每个组中只能拥有一个AVG，但是AVF最多可以拥有4个。组中具有最高优先级的路由器将成为AVG，(路由器的优先级从0-255，默认情况下为100)如果组中存在优先级相同的路由器，那么具有最高IP地址的路由器就会被选为AVG,如果AVG发生故障不能正常工作，优先级次之的备用路由器就会接替工作成为新的AVG，从而实现网关的冗余。AVG不承担数据包转发的职责，其主要任务就是为组内每个AVF分配虚拟MAC地址，并时刻检测来自客户端对网关的ARP请求。当AVG收到来自客户端对网关的ARP请求后，依据负载均衡策略，选择不同AVF的MAC地址回复给客户端，以此让组内的每一个AVF都参与数据包的转发，从而实现负载均衡。AVF的主要任务就是对发送到此MAC地址的数据包进行转发，具体每个AVF转发数据包的比例可以由权重值大小来决定。

1.2　SLA协议简介

SLA为用户提供测试网络服务是否安全可靠、实时可达的一种反馈机制，其工作原理就是通过向支持IP协议的网络设备发送测试数据报文，并对网络性能(UDP响应时间、丢包率、抖动、连通性)进行充分分析，使用户对网络服务故障具有一定的研判能力，从而可以提前采取应对措施，保证网络安全可靠运行。

2　网络拓扑设计

为了保证校园网能够安全稳定运行，提高用户对网络服务的满意度，我们为校园网引入了两条互联网出口线路(教育网和中国联通)，二者互为备份。其中R1路由器为教育网接入路由器，R2路由器为中国联通接入路由器，无论哪一条出口线路出现网络故障，都不会影响校园网用户对INTERNET的正常访问。R3、R4为部署在校园网出口的两台思科3700路由器，SW1和SW2分别为连接路由器R3和路由器R4的2层交换机。校园网内共设置有VLAN50、VLAN60两个网段，分属于两个网段的终端设备可以互连互通，其中C1与C3为VLAN50网段终端计算机，C2与C4为VLAN60网段终端计算机。

路由器R3、R4之间应用GLBP协议并在两台路由器上分别启用SLA[9-12]，对ISP接入路由器的可用性进行不间断探测，以提高校园网对网络故障的自适应性。在网络正常情况下，路由器R3和路由器R4组成一个GLBP组，具有最高优先级的路由器R3成为AVG，优先级次之的路由器R4成为备用AVG。路由器R3负责虚拟MAC地址的分发，并对校园网用户ARP请求做出应答。路由器R3、R4均为AVF，都参与数据包的转发，且转发流量比为1∶1。路由器R3即为转发者2的活动路由器又为转发者1的备用路由器，路由器R4即为转发者1的活动路由器又为转发者2的备用路由器。换句话说，当校园网用户将流量发送到转发者1的MAC地址时，流量由路由器R4来进行处理。当校园网用户将流量发送到转发者2的MAC地址时，流量由路由器R3来进行处理。以校园网VLAN50网段的终端计算机C1与C3为例，C1访问INTERNET资源，数据包首先经校园网出口路由器R3 进行转发，再经教育网到达目的地址。C4访问INTERNET资源，数据包首先经校园网出口路由器R4进行转发，再经中国联通网络到达目的地址。

当路由器R3或教育网接入路由器R1不能正常工作时，路由器R3的权重值会下降到低门限值以下，不再参与数据包的转发，路由器R4将独自承担起转发数据包的任务。同理当路由器R4或中国联通接入路由器不能正常工作时，路由器R4的权重值也会下降到低门限值以下，也将不再参与数据包的转发，路由器R3将独自承担起转发数据包的任务。校园网用户在整个网络故障处理过程中，不会感到有断网现象的发生，还可以正常访问INTERNET资源,从而实现校园网的高可靠性。校园网出口网络拓扑如图1所示。

图1　校园网出口网络拓扑图

3　网络具体配置方案

3.1　IP地址的分配

在ISP接入路由器R1、R2上分别建立LOOPBACK回环接口，在校园网出口路由器R3、R4上分别建立逻辑接口。建立回环接口的目的，主要用于模拟公网DNS地址。建立逻辑接口的目的：① 为了使校园网内VLAN50和VLAN60两个网段之间能够实现互连互通；② 为了节省路由器R3、R4的可用接口。另将校园网内SW1和SW2两台2层交换机的f0/1接口划分到VLAN50网段，f0/2接口划分到VLAN60网段，用于与4台终端计算机(C1、C2、C3、C4)相连，终端计算机C1与C3网关地址为VLAN50虚拟网关IP地址192.168.50.1，终端计算机C2与C4网关地址为VLAN60虚拟网关IP地址192.168.60.1。网络设备接口及IP地址分配如表1所示。

表1　网络设备接口及IP地址分配

3.2　路由器接口配置

在路由器R3、R4上应用单臂路由技术分别建立两个逻辑接口，逻辑接口的数据在链路上传输时采用802.1q协议进行封装，封装以后的每个逻辑接口对应一个VLAN。(路由器 R1、路由器R2以及路由器 R3的接口配置与路由器R4接口配置类似，故省略。)

(1) 配置路由器 R4

R4(config)#int s1/0

R4(config-if)#no shut

R4(config-if)#ip address 202.59.55.30 255.255.255.0 //此地址用于与中国联通接入路由器R2互联

R4(config-if)#exit

R4(config)#int f0/0

R4(config-if)#no shut //启用校园网接口f0/0

R4(config-if)#int f0/0.1 //建立逻辑接口

R4(config-subif)#encapsulationdot1Q 50 //在此逻辑接口上封装802.1Q协议

R4(config-subif)#ip add 192.168.50.3 255.255.255.0 //设置逻辑接口地址

R4(config-if)#int f0/0.2 //建立逻辑接口

R4(config-if)#encapsulationdot1Q 60 //在此逻辑接口上封装802.1Q协议

R4(config-subif)#ip add 192.168.60.3 255.255.255.0 //设置逻辑接口地址

3.3　配置NAT地址转换

为了保护校园网内网的安全性和避免来自Internet的网络攻击，将校园网内VLAN50、VLAN60两个网段均设置为私网网段。校园网用户进行互联网访问时，在路由器R3、R4上应用NAT技术将其私网IP地址转换为ISP服务商提供的公网IP地址[13]，从而实现校园网用户对互联网资源的正常访问。(路由器R4的NAT配置与路由器R3的NAT配置类似，故省略。)

(1) 在路由器R3上配置NAT

R3(config-if)#interface f0/0.1 //建立逻辑接口

R3(config-subif)#ip nat inside

R3(config-if)#interface f0/0.2 //建立逻辑接口

R3(config-subif)#ip nat inside

R3(config-if)#exit //返回全局配置模式

R3(config)#interface s1/0

R3(config-if)#ip nat outside

R3(config-if)#exit

R3(config)#access-list 4 permit any //建立访问控制列表4，允许任何来自内网接口的地址都可以被转换

R3(config)#ip nat pool cernet 211.68.191.3 211.68.191.33 netmask 255.255.255.0 //建立名为cernet的地址转换池

R3(config)#ip nat inside source list 4 pool cernetoverload ∥定义NAT工作方式为PAT

3.4　配置路由

由于已在路由器R3、R4上应用NAT技术并且现实中ISP接入路由器R1、R2的路由表中只允许存在到公网地址的路由条目，因此只需为路由器R3、R4配置网络开销小、可信度高、运行更为安全稳定的静态路由即可[14-16]。

(1)配置路由器R3路由

R3(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 211.68.191.1 //数据包的下一跳指向教育网接入路由器R1的接口地址

(2) 配置路由器R4路由

R4(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 202.59.55.31 //数据包的下一跳指向中国联通接入路由器R2的接口地址

3.5　配置SLA

通常情况下，当ISP接入路由器R1或R2发生网络故障，在校园网出口路由器R3与R4之间运行的GLBP协议是无法觉察到这种故障发生的，数据包继续由原先选举出的AVF进行转发，这样必然会造成一部分校园网用户无法对互联网进行正常访问。通过在路由器R3、R4上配置SLA，并与跟踪对象相关联,分别实时监控到公网DNS 8.8.8.8.8的连通性，当其发生故障时，可以使GLBP协议对AVF的选举及时做出调整，以保证校园网用户可以正常访问互联网。

(1)在路由器R3上配置SLA

R3(config)#ip sla monitor 11

R3(config-sla-monitor)#type echo protocol ipIcmpEcho 8.8.8.8 //配置检控公网DNS 8.8.8.8

R3(config-sla-monitor-echo)#frequ 5//配置监控时间频率

R3(config-sla-monitor-echo)#timeout 600 //配置监控超时时间

R3(config)#ip sla monitor schedule 11 life forever start-time now //立即开始监控，并永远有效

(2) 在路由器R4上配置SLA

R4(config)#ip sla monitor 12

R4(config-sla-monitor)#type echo protocol ipIcmpEcho 8.8.8.8 //配置监控公网DNS 8.8.8.8

R4(config-sla-monitor-echo)#frequ 5 //配置监控时间频率

R4(config-sla-monitor-echo)#timeout 600 //配置监控超时时间

R4(config)#ip sla monitor schedule 12 life forever start-time now //立即开始监控，并永远有效

3.6　配置GLBP

3.6.1配置网关冗余

GLBP 50组的虚拟IP地址即为校园网VLAN50网段网关地址，GLBP 60组的虚拟IP地址即为校园网VLAN60网段网关地址。

(1) 配置路由器R3

R3(config-if)#int f0/0.1

R3(config-if)#glbp 50 ip 192.168.50.1 //运行GLBP协议，定义GLBP 50组虚拟IP地址为192.168.50.1

R3(config-if)#glbp 50 name z50 //配置GLBP组名

R3(config-if)#glbp 50 timers 3 10 //配置GLBP的Hello时间和Hold时间

R3(config-if)#int f0/0.2

R3(config-if)#glbp 60 ip 192.168.60.1 //运行GLBP协议，定义GLBP 60组虚拟IP地址为192.168.60.1

R3(config-if)#glbp 60 name z60 //配置GLBP组名

R3(config-if)#glbp 60 timers 3 10 //配置GLBP的Hello时间和Hold时间

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#int f0/0.1

R4(config-if)#glbp 50 ip 192.168.50.1 //运行GLBP协议，定义GLBP 50组虚拟IP地址为192.168.50.1

R4(config-if)#glbp 50 name z50 //配置GLBP组名

R4(config-if)#glbp 50 timers 3 10 //配置GLBP的Hello时间和Hold时间

R4(config-if)#glbp 60 ip 192.168.60.1 //运行GLBP协议，定义GLBP 60组虚拟IP地址为192.168.60.1

R4(config-if)#glbp 60 name z60 //配置GLBP组名

R4(config-if)#glbp 60 timers 3 10 //配置GLBP的Hello时间和Hold时间

3.6.2配置优先级和抢占

GLBP协议AVG的选举是由组内各路由器的优先级所决定的，优先级最高的路由器将会成为AVG。由于路由器R3在GLBP50、GLBP60组中的优先级均为240，而路由器R4在GLBP50、GLBP60组中的优先级均为230，因此路由器R3成为GLBP50、GLBP60组中的AVG,负责虚拟MAC地址的分发，并监听来自校园网用户的ARP请求。另外开启GLBP协议的抢占功能，可以保证当AVG路由器出现故障，备用AVG路由器可以成为新的AVG路由器，默认情况下为关闭状态。

(1)配置路由器R3

R3(config-if)#int f0/0.1

R3(config-if)#glbp 50 priority 240

R3(config-if)#glbp 50 preempt

R3(config-if)#glbp 50 preempt delay minimum 3 //配置抢占延时时间

R3(config-if)#int f0/0.2

R3(config-if)#glbp 60 priority 240

R3(config-if)#glbp 60 preempt

R3(config-if)#glbp 60 preempt delay minimum 3 //配置抢占延时时间

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#int f0/0.1

R4(config-if)#glbp 50 priority 230

R4(config-if)#glbp 50 preempt

R4(config-if)#glbp 50 preempt delay minimum 3 //配置抢占延时时间

R4(config-if)#int f0/0.2

R4(config-if)#glbp 60 priority 230

R4(config-if)#glbp 60 preempt

R4(config-if)#glbp 60 preempt delay minimum 3 //配置抢占延时时间

3.6.3配置权重值和门限值

路由器权重值的大小决定了GLBP组内AVF转发流量的比例,当权重值低于低门限值时，那么这台路由器将不在进行数据包转发，直到权重值的大小恢复到高门限值以后，这台路由器才会再次进行数据包的转发。

(1) 配置路由器R3

R3(config-if)#glbp 50 weighting 220 lower 190 upper 200 //设置路由器的权重值为220，最低门限值为190，高门限值为200

R3(config-if)#glbp 50 forwarder preempt //配置该路由器会抢占成为AVF

R3(config-if)#glbp 50 forwarder preempt delay minimum 20 //设置抢占AVF的时间为20 s

R3(config-if)#glbp 60 weighting 220 lower 190 upper 200 //设置路由器的权重值为220，最低门限值为190，高门限值为200

R3(config-if)#glbp 60 forwarder preempt //配置该路由器会抢占成为AVF

R3(config-if)#glbp 60 forwarder preempt delay minimum 20 //设置抢占AVF的时间为20 s

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#glbp 50 weighting 220 lower 190 upper 200 //设置路由器的权重值为220，最低门限值为190，高门限值为200

R4(config-if)#glbp 50 forwarder preempt //配置该路由器会抢占成为AVF

R4(config-if)#glbp 50 forwarder preempt delay minimum 20 //设置抢占AVF的时间为20 s

R4(config-if)#glbp 60 weighting 220 lower 190 upper 200 //设置路由器的权重值为220，最低门限值为190，高门限值为200

R4(config-if)#glbp 60 forwarder preempt //配置该路由器会抢占成为AVF

R4(config-if)#glbp 60 forwarder preempt delay minimum 20 //设置抢占AVF的时间为20 s

3.6.4配置跟踪对象

在GLBP组中配置跟踪对象有助于增强网络的可靠性，当所跟踪的对象发生网络故障，相应路由器的权重值会按照预先设定值降低。

(1) 配置路由器R3

R3(config)#track 100 rtr 11 reachability //关联监控对象

R3(config-if)#glbp 50 weighting track 100 decrement 60 //配置跟踪目标100,当不能正常访问公网DNS地址8.8.8.8时，权重值减60，此时路由器R3权重值变为160

R3(config-if)#glbp 60 weighting track 100 decrement 60

(2) 配置路由器R4

R4(config)#track 110 rtr 12 reachability //关联监控对象

R4(config-if)#glbp 50 weighting track 110 decrement 60 //配置跟踪目标110,当不能访问公网DNS地址8.8.8.8时，权值重减60，此时路由器R4权重值变为160

R4(config-if)#glbp 60 weighting track 110 decrement 60

3.6.5配置负载均衡

采用轮询负载均衡策略，AVG每响应一次校园网用户的ARP请求，就会为其轮换一个AVF的MAC地址，作为其默认网关的MAC地址返回给用户。即使校园网用户配置了相同的默认网关地址，数据包的下一跳设备也将不会相同。

(1) 配置路由器R3

R3(config-if)#glbp 50 load-balancing round-robin //采用轮询负载均衡策略

R3(config-if)#glbp60 load-balancing round-robin //采用轮询负载均衡策略

(2) 配置路由器R4

R4(config-if)#glbp 50 load-balancing round-robin //采用轮询负载均衡策略

R4(config-if)#glbp60 load-balancing round-robin //采用轮询负载均衡策略

4　网络测试

4.1　网络正常情况下

在这里选择vlan 50网段所属计算机C1和 C3，对公网DNS地址8.8.8.8进行访问测试，并以GLBP 50组为例查看路由器R3、R4上GLBP协议的工作状态。

(1) 从计算机C1对公网DNS地址8.8.8.8进行访问测试

VPCS[1]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=99.006 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=67.004 ms

VPCS[1]〉 sh arp

00:07:b4:00:32:02 192.168.50.1 expires in 108 seconds

VPCS[1]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.2 67.004 ms 9.001 ms 9.000 ms

2 211.68.191.1 128.008 ms

(2) 从计算机C3对公网DNS地址8.8.8.8进行访问测试

VPCS[3]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=119.006 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=66.004 ms

VPCS[3]〉 sh arp

00:07:b4:00:32:01 192.168.50.1 expires in 110 seconds

VPCS[3]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.3 70.004 ms 9.001 ms 9.001 ms

2 202.59.55.31 157.009 ms

(3) 路由器R3上GLBP协议工作状态见图2。

(4) 路由器R4上GLBP 协议工作状态如图3所示。

图2路由器R3上GLBP协议工作状态

图3　路由器R4上GLBP协议工作状态

通过以上访问测试可以看到，计算机C1、C3均可以PING通公网DNS地址 8.8.8.8。GLBP 50组虚拟网关地址为192.168.50.1，路由器R3为GLBP 50组中的AVG，路由器R4为备用AVG。两个路由器均为AVF,都参与数据包的转发，路由器R3是Forwarder 2的活跃路由器，同时也是Forwarder 1的备用路由器，校园网用户发送到虚拟MAC地址00:07:b4:00:32:02的流量，都由R3来进行转发。路由器R4是Forwarder 1的活跃路由器，同时也是Forwarder 2的备用路由器，校园网用户发送到虚拟MAC地址00:07:b4:00:32:01的流量，都由R4来进行转发，继而实现了三层网关的冗余和流量负载均衡。由于计算机C1 所对应的网关MAC地址为00:07:b4:00:32:02，计算机C3所对应的网关MAC地址为00:07:b4:00:32:01，因此计算机C1访问公网DNS地址8.8.8.8通过路由器R3来进行数据包转发，计算机C3访问公网DNS地址8.8.8.8通过路由器R4来进行数据包转发。

4.2　网络故障情况下

关闭教育网接入路由器R1上 s1/0接口，模拟教育网路由器R1发生网络故障，再次对计算机C1和C3访问公网DNS地址8.8.8.8进行访问测试，并以GLBP 50组为例查看路由器R3、R4上GLBP协议的工作状态。

(1) 从计算机C1对公网DNS地址8.8.8.8进行访问测试

VPCS[1]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=120.007 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=98.005 ms

VPCS[1]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.3 101.006 ms 20.001 ms 9.001 ms

2 202.59.55.31 157.009 ms

(2) 从计算机C3对公网DNS地址8.8.8.8进行访问测试

VPCS[3]〉 ping 8.8.8.8

8.8.8.8 icmp_seq=1 ttl=254 time=129.008 ms

8.8.8.8 icmp_seq=2 ttl=254 time=67.004 ms

VPCS[3]〉 trace 8.8.8.8

trace to 8.8.8.8, 8 hops max, press Ctrl+C to stop

1 192.168.50.3 45.003 ms 9.000 ms 9.001 ms

2 202.59.55.31 138.008 ms

(3) 路由器R3上GLBP 协议工作状态见图4。

(4) 路由器R4上GLBP 协议工作状态如图5所示。

图4　路由器R3上GLBP协议工作状态

图5　路由器R4上GLBP协议工作状态

通过模拟测试得知，即使教育网接入路由器R1发生网络故障，计算机C1和C3对公网DNS地址8.8.8.8的访问也不会受到丝毫影响，路由器R3依旧为AVG,只是权重值变为160(220-60)，由于低于低门限值(190)，因此路由器R3不在转发任何数据包。路由器R4成为Forwarder 1和Forwarder 2的活跃路由器，校园网用户发往两个虚拟MAC地址00:07:b4:00:32:01和00:07:b4:00:32:02的流量都由路由器R4来进行转发。因此计算机C1和C3访问公网DNS地址8.8.8.8均通过路由器R4来进行数据包转发。

5　结　语

为实现校园网高可靠性，保证校园网能够安全稳定的运行，优化了校园网出口结构，引入了两条ISP出口线路，并在校园网出口路由器上结合使用GLBP和SLA技术，不仅实现了三层网关冗余和流量负载均衡，而且也提高了对网络故障的感知能力。即使单一校园网出口路由器或ISP接入路由器发生网络故障，也不会影响校园网用户对互联网的正常访问。

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