Triển khai HA cho mạng doanh nghiệp

TRIỂN KHAI TÍNH NĂNG HIGH AVAILABILITY CHO MẠNG DOANH
NGHIỆP
***
Tóm tắt: Hầu hết các hạ tầng mạng doanh nghiệp đều cần được triển khai tính năng
High Availability (HA). High Availability cung cấp cơ chế dự phòng trong hạ tầng mạng,
đảm bảo các host luôn luôn truy cập được đến các Server quan trọng trong mạng hay
Internet ở bất kỳ thời điểm nào. Hot Standby Routing Protocol (HSRP) là một trong các
giao thức cung cấp tính năng High Availability ở Layer 3 cho hạ tầng mạng. Các Cisco
Router hay Cisco Layer 3 Switch chạy HSRP sẽ tạo ra gateway ảo đảm nhiệm vai trò
chuyển tiếp gói tin cho các host trong mạng. HSRP cung cấp cơ chế tracking xác định
đường kết nối khác khi phát hiện một đường kết nối bị lỗi hay các đối tượng không còn
hoạt động. Ngoài ra, HSRP còn cung cấp cơ chế Load sharing để tối ưu hoá traffic trong
hạ tầng mạng lớn hay có triển khai VLAN. Nội dung bài viết dưới đây sẽ trình bày và
triển khai chi tiết tính năng High Availability cho hạ tầng mạng doanh nghiệp với giao
thức HSRP.

Từ khóa: HSRP, High Availability, Virtual Router.

1. Giới thiệu
Ngày nay, hệ thống CNTT-TT là thành phần không thể thiếu, góp phần rất lớn vào công
việc quản lý và vận hành của doanh nghiệp, năng lực cạnh tranh cũng như hiệu quả kinh
doanh. Do vậy, hệ thống mạng máy tính đòi hỏi luôn luôn hoạt động và có tính sẵn sàng
cao nhằm đảm bảo việc kết nối thông suốt cho việc truyền thông trong và ngoài tổ chức.
Một host trong mạng, khi muốn truyền thông với những host ở các mạng khác chúng cần
sử dụng Default Gateway. Giả sử PC A trên Hình 1 được cấu hình Default Gateway
hướng đến Router A để chuyển tiếp các packet đi đến File Server A.
Theo mô hình Hình 1, Router A có chức năng định tuyến các packet nhận được đến
Subnet, và Router B có chức năng định tuyến đến Subnet B: Nếu Router A bị sự cố thì
các cơ chế định tuyến động sẽ tính toán lại và quyết định Router B sẽ là thiết bị chuyển
tiếp các packet thay thế cho router A. Tuy nhiên, bản thân PC A không thể nào nhận biết
được thông tin định tuyến đến Router B (do trên PC A chỉ cấu hình duy nhất một địa chỉ

IP là default gateway và sẽ không thay đổi), kết quả là PC A không thể gửi các packet đi


đến File Server A. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để Router B thực hiện công việc của
Router A trong trường hợp Router A có sự cố?

Hình 1: Mô hình định tuyến nhiều Gateway
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu và ứng dụng tính sẵn sàng cao (High
Availability) cơ chế dự phòng với HSRP trên thiết bị Layer 3 Switch của Cisco.

2. Cơ chế dự phòng Cisco Layer 3 Switch với HSRP:

2.1 Giới thiệu giao thức HSRP
HSRP là chuẩn giao thức định tuyến của Cisco Systems, cung cấp tính sẵn sàng cao cho
hệ thống mạng bằng cách đưa ra giải pháp dự phòng cho các host trên mạng LAN. HSRP
thực hiện định tuyến dòng lưu lượng IP mà không phụ thuộc vào một router (bộ định
tuyến) đơn lẻ nào đó. HSRP cho phép kết hợp một nhóm các interface (giao tiếp) của
router làm việc với nhau để tạo ra Virtual Router (bộ định tuyến ảo) hoặc một default
gateway (cổng mặc nhiên) cho các host trong mạng LAN. Khi HSRP được cấu hình trên
một mạng hoặc một segment (đoạn) chúng sẽ cung cấp một địa chỉ Virtual MAC (địa chỉ
vật lý ảo), một địa chỉ Virtual IP (địa chỉ IP ảo) và được chia sẻ cho một nhóm các router.
Ngoài ra, HSRP cũng cho phép hai hoặc nhiều router đã cấu hình tính năng HSRP có thể
sử dụng địa chỉ MAC và địa chỉ IP của một Virtual Router. Virtual Router là khái niệm,


biểu diễn như một thành phần chung cho các routers đã được cấu hình tính năng HSRP
để cung cấp cơ chế dự phòng cho mỗi router đó. Một router được chọn với vai trò là
Active Router và một router khác sẽ được chọn với vai trò là Standby Router. Standby
Router sẽ làm nhiệm vụ điều khiển nhóm địa chỉ MAC và địa chỉ IP nếu Active Router bị
lỗi.

2.2 Cơ chế Proxy ARP

Hình 2: Mô hình mô tả hoạt động theo cơ chế Proxy ARP
Cisco IOS sử dụng cơ chế Proxy ARP cho phép các host trong hệ thống mạng khi không
xác định được địa chỉ MAC của host đích thì có thể lấy được địa chỉ MAC của gateway
làm địa chỉ MAC của host đích.
Ví dụ: Trong hình 2, router nhận được một packet ARP request từ PC cho địa chỉ IP
tương ứng, địa chỉ IP này không cùng subnet với PC. Router sẽ gửi về một packet ARP
với MAC Address là của router A và IP là địa chỉ của host đích. Như vậy PC tiến hành


gửi toàn bộ các packet đến địa chỉ IP đã được phân giải thành MAC address của Router,
sau đó Router lại làm tiếp công việc chuyển các packet này đi đến địa chỉ IP đích.
Như vậy, với tính năng proxy ARP, host đích đã được kết nối như cùng mạng với host
nguồn thông qua Router. Trường hợp Router làm chức năng Proxy ARP bị lỗi thì các
host vẫn tiếp tục gửi các packet đến Router và các packet này sẽ bị huỷ. Địa chỉ MAC có
thời gian sống nhất định trong bảng ARP cache của host. Sau khoảng thời gian này, host
sẽ gửi ARP Request để tìm Proxy ARP để cập nhật Proxy ARP mới.

2.3 Cơ chế dự phòng cho các router với HSRP:

Hình 3: Cơ chế dự phòng với HSRP
Khi thiết lập HSRP trên các router, các router lúc này hoạt động phối hợp với nhau
để tạo ra một Virtual Router, bằng cách dùng chung một địa chỉ IP và địa chỉ MAC, hai
hay nhiều router có thể hoạt động như là một Virtual Router. Địa chỉ IP của Virtual
Router (Virtual IP) được cấu hình như là default gateway cho các máy trạm trong một


subnet. Khi những packet được gửi từ một host đến default gateway, host dùng cơ
chế ARP để phân giải MAC address với địa chỉ IP default gateway, Proxy ARP sẽ trả về

với MAC address của Virtual Router. Các frames gửi đến VirtualMAC address và sau đó
frames này được xử lý tiếp tục bởi Active Router hoặc Standby Router trực thuộc nhóm
Virtual Router được cấu hình.
Một hay nhiều Router sử dụng giao thức này để quyết định Router vật lý nào sẽ có trách
nhiệm xử lý frames được gửi đến địa chỉ Virtual IP và địa chỉ Virtual MAC, các host sẽ
gửi các packet đến Virtual Router. Một router vật lý có trách nhiệm chuyển các packet
này đi tiếp, tuy nhiên router này là trong suốt đối với các host nguồn và đích.
Router đóng vai trò Active (Active Router) sẽ đảm nhiệm công việc chuyển các packet
còn router với vai trò Standby (Standby Router) làm dự phòng cho Active Router.Khi
một Router bị lỗi thì quá trình chuyển đổi sẽ diễn ra như sau: Standby Router không còn
nhận được packet hello từ mộtRouter, Standby Router sẽ giả định vai trò của nó lúc này
là Router. Lúc này quá trình truyền frames của host sẽ không bị ảnh hưởng vì Router sẽ
dùng địa chỉ Virtual IP và Virtual MAC chung để thực hiện.
2.4 Cơ chế dự phòng Layer 3 với giao thức HSRP
Ta xét sơ đồ luận lý dưới đây:


Hình 4: Mô hình Virtual Router với HSRP
HSRP định nghĩa một Standby Group. Mỗi router được gán một vai trò xác định bên
trong Standby Group này. HSRP cung cấp một Gateway dự phòng cho các host đầu cuối
bằng cách chia sẻ chung một địa chỉ Virtual IP và Virtual MAC giữa các gateway dự
phòng. HSRP truyền thông tin về Virtual IP ảo và Virtual MAC giữa các router nằm
trong cùng một HSRP group.
Một HSRP Group bao gồm các thông tin sau:
-

Active Router

-

Standby Router

-

Virtual Router

-

Other Routers


HSRP Active Router và Standby Router thực hiện gửi các packet Hello đến địa chỉ
multicast 224.0.0.2, dùng giao thức UDP port 1985 để duy trì thông tin.

2.5 Quá trình hoạt động của HSRP

Hình 5: Quá trình hoạt động của giao thức HSRP
Tất cả router trong một HSRP group có một vai trò cụ thể và tương tác với nhau:
Virtual Router: là router ảo được tạo ra với một địa chỉ IP và MAC mà tất cả các
thiết bị đầu cuối dùng làm IP Default Gateway. Trong đó, Active Router xử lý tất cả
packet và tất cả các frame được gửi tới địa chỉ Virtual Router.
Active Router: được chọn trong HSRP Group để chuyển packet, gửi địa chỉ Virtual
MAC đến các hostđầu cuối.


•

Trong Hình 6, Router A được giả định ở vai trò Active và chuyển tất cả các
frames đến địa chỉ MAC là 0000.0c07.acXX với XX là số group của HSRP (XX là
hệ số hexa).

•

Địa chỉ IP và địa chỉ MAC tương ứng của Virtual Router được duy trì trong bảng
ARP của mỗi Router thuộc HSRP group. Để kiểm tra bảng ARP trong bảng ARP
ta dùng lệnh show ip arp

Hình 6: Mô tả bảng ARP của một Router thuộc HSRP Group
•

Hình 7 hiển thị bảng ARP của một Router đang làm thành viên của HSRP group 1
trong VLAN 10. Trong bảng ARP trên ta thấy rằng Virtual Router có địa chỉ là
172.16.10.110 và có một địa chỉ MAC là 0000.0c07.ac01 với 01 là số group. Số
HSRP group 1 hiện thị dưới dạng cơ số 10 và 01 là dưới hệ cơ số 16.

Standby Router: luôn theo dõi trạng thái hoạt động của HSRP Group và sẽ nhanh
chóng chuyển sang trạng thái forwarding packet nếu Active Router không còn hoạt
động. Cả hai Active Router và Standby Router sẽ truyền hello message để thông báo cho
tất cả Router khác trong Group HSRP biết rằng vai trò của nó lúc này là gì. Các Routers


dùng địa chỉ destination multicast 224.0.0.2, kiểu truyền UDP port 1985, và địa chỉ IP
nguồn là địa chỉ IP của sending router.
Ngoài ra bên trong HSRP Group có thể chứa một số Router khác nhưng vai trò của nó
không phải Active hay Standby. Những Router dạng này sẽ theo dõi hello message được
gửi bởi Active và Standby Router để chắc chắn rằng Active và Standby Router đang tồn
tại trong HSRP Group. Router này chỉ forward những packet đến chính địa chỉ IP của nó
nhưng không forward packet được đặt địa chỉ đến Virtual Router. Những Router
dạng này sẽ đọc message tại mỗi thời gian giữa hai packet hello
Một số thuật ngữ trong HSRP:

Hello Interval Time: là khoảng thời gian giữa hai packet Hello HSRP thành công từ
một Router, thời gian này là 3 giây.
Hold Interval Time: là khoảng thời gian giữa hai packet hello được nhận và giả định
rằng sender router bị fail, mặc định là 10 giây.
Khi Active Router bị fail, những Router khác thuộc cùng HSRP group sẽ không còn nhận
được message từ Active Router, và Standby Router sẽ được giả định là Active Router,
nếu như có Router khác bên trong HSRP Group thì sẽ được đưathành Standby Router.


Hình 7: Quá trình gửi - nhận packet Hello trong HSRP

2.6 Các trạng thái trong giao thức HSRP
Một Router trong HSRP Group có 06 trạng thái hoạt động như sau: Initial, Learn, Listen,
Speak, Standby hoặc Active.


Hình 8: Các trạng thái trong giao thức HSRP
Khi một Router đang ở trong một số những trạng thái trên thì nó sẽ thực hiện một số hành
động nhất định, không phải tất cả Router trong HSRP Group sẽ chuyển đổi sang tất cả
các trạng thái trên.Ví dụ như ta có 3 router trong HSRP Group, 1 trong 3 router thuộc
Group không đóng vai trò là Standby hay Active thì Router này vẫn duy trì ở trạng
thái Listen.
Tất cả các router đều bắt đầu ở trạng thái Initial, điều này hiển thị rằng HSRP đang không
hoạt động. Sau đó sẽ chuyển sang trạng thái Learn, trạng thái này router sẽ mong chờ
thấy được HSRP packet và từ những cácpacket này nó quyết định xem Virtual IP là gì và
xác định Active Router trong HSRP Group.
Khi một Interface nhận HSRP Packet và kiểm tra Virtual IP rồi tiếp tục chuyển sang
trạng thái Listen. Mục đích của trạng thái Listen là để xác định xem có Active hay
Standby Router cho HSRP group hay không. Nếu như đã có Active hay Standby Router
rồi thì nó vẫn giữ nguyên trạng thái. Tuy nhiên nếu các packet hello không được thấy từ

bất kỳ router nào, Interface chuyển sang trạng thái Speak. Với trạng thái Speak, các
router chủ động tham dự vào quá trình chọn lựa ra Active Router, Standby Router bằng
cách nhìn vào các packet hello để xác định vai trò.
Có 3 dạng timer được sử dụng trong giao thức HSRP đó là active, standby và hello. Nếu
như không có một packet hello nào được nhận từ Active HSRP Router trong khoảng thời
gian active, thì Router chuyển sang trạng thái HSRP mới:


Active timer: dùng để giám sát Active Router. Timer sẽ reset lại vào bất kỳ thời
điểm nào khi một router trong HSRP Group nhận được các packet hello được gửi ra từ
Active Router. Giá trị Timer expire phù hợp với giá trị hold time đang được thiết lập
tương ứng với field trong HSRP hello message.
Standby timer: dùng để giám sát Standby Router. Timer sẽ reset lại vào bất kỳ thời
điểm nào khi một Router trong group HSRP nhận được packet hello được gửi ra từ
Standby Router. Giá trị Timer expire phù hợp với giá trị hold time đang được thiết lập
tương ứng với field trong HSRP hello message.
Hello timer: thời gian của hello packet. Tất cả HSRP Router trong bất kỳ trạng thái
nào của HSRP đều tạo ra hello packetkhi mà hello timer đã hết.

Hình 9: Quá trình chuyển đổi các trạng thái trong giao thức HSRP
Ở trạng thái Standby, Router lúc này như là một ứng viên để trở thành Active Router kế
tiếp. Nó định kỳ gửi ra các packet hello. Nó cũng lắng nghe các hello message từ Active
Router. Trong một mạng HSRP thì chỉ có duy nhất một Standby Router.


Hình 10: Quá trình gửi các packet Hello của Stanby Router
Ở trạng thái Active, Router có nhiệm vụ forward packet, gửi địa chỉ VirtualMAC của
HSRP Group, hồi đáp các packet ARP request hướng đến địa chỉ Virtual IP. Active
Router định kỳ gửi ra các hello message. Trong một HSRP group chỉ có duy nhất một
Active Router.

Hình 11: Quá trình gửi các packet Hello của Active Router

3. Triển khai HA với Cisco Layer 3 Switch cho mạng doanh nghiệp
3.1 Mô hình triển khai:


Hình 12: Mô hình triển khai HA trên Cisco Layer 3 Switch

3.2 Cấu hình HSRP cho các Cisco Layer 3 Switch:
-

Cấu hình HSRP trên DS_SW1:

Theo hình 13, cấu hình DS_SW1 với 03 standby group sao cho DS_SW1 làm Active
Router cho các vlan10, vlan30 và làm Standby Router cho vlan20. Khi cổng
FastEthernet1/3 trên DS_SW1 không hoạt động thì DS_SW2 sẽ lên đóng vai trò Active
Router cho các vlan 10, vlan30.
DS_SW1(config)#interface vlan10
DS_SW1(config-if)#ip address 192.168.10.2 255.255.255.0
DS_SW1(config-if)#standby 1 ip 192.168.10.1
DS_SW1(config-if)#standby 1 priority 150
DS_SW1(config-if)#standby 1 preempt
DS_SW1(config-if)#standby 1 track FastEthernet1/3 55


DS_SW1(config-if)#standby 1 authentication ispace10
DS_SW1(config-if)#no shutdown
DS_SW1(config)# interface vlan20

DS_SW1(config-if)# ip address 192.168.20.2 255.255.255.0
DS_SW1(config-if)# standby 2 ip 192.168.20.1
DS_SW1(config-if)#standby 2 preempt
DS_SW1(config-if)# standby 2 track FastEthernet1/3
DS_SW1(config-if)#standby 2 authentication ispace20
DS_SW1(config-if)#no shutdown
DS_SW1(config-if)# interface vlan30
DS_SW1(config-if)#ip address 192.168.30.2 255.255.255.0
DS_SW1(config-if)#standby 3 ip 192.168.30.1
DS_SW1(config-if)#standby 3 priority 150
DS_SW1(config-if)#standby 3 preempt
DS_SW1(config-if)#standby 3 track FastEthernet1/3 70
DS_SW1(config-if)#standby 3 authentication ispace30
DS_SW1(config-if)#no shutdown
-

Cấu hình HSRP trên DS_SW2:

Theo hình 13, cấu hình DS_SW2 với 03 standby group sao cho DS_SW2 làm Active
Router cho vlan20 và làm Standby Router cho các vlan10, vlan 30. Và khi cổng
FastEthernet1/3 trên DS_SW2 không hoạt động thì DS_SW1 sẽ lên đóng vai trò Active
Router cho các vlan 20.
DS_SW2(config)#interface vlan10
DS_SW2(config-if)#ip address 192.168.10.3 255.255.255.0
DS_SW2(config-if)#standby 1 ip 192.168.10.1
DS_SW2(config-if)#standby 1 preempt
DS_SW2(config-if)#standby 1 track FastEthernet1/3
DS_SW2(config-if)#standby 1 authentication ispace10
DS_SW2(config-if)#no shutdown
DS_SW2(config)# interface vlan20

DS_SW2(config-if)# ip address 192.168.20.3 255.255.255.0
DS_SW2(config-if)# standby 2 ip 192.168.20.1
DS_SW2(config-if)#standby 2 priority 150
DS_SW2(config-if)#standby 2 preempt
DS_SW2(config-if)# standby 2 track FastEthernet1/3 60
DS_SW2(config-if)#standby 2 authentication ispace20
DS_SW2(config-if)#no shutdown


DS_SW2(config-if)# interface vlan30
DS_SW2(config-if)#ip address 192.168.30.3 255.255.255.0
DS_SW2(config-if)#standby 3 ip 192.168.30.1
DS_SW2(config-if)#standby 3 preempt
DS_SW2(config-if)#standby 3 track FastEthernet1/3
DS_SW2(config-if)#standby 3 authentication ispace30
DS_SW2(config-if)#no shutdown

3.3 Một số vấn đề lưu ý:
Trường hợp nếu cổng FastEthernet1/3 trên DS_SW1 và cổng FastEthernet1/3 trên
DS_SW2 đều không hoạt động thì DS_SW1 trở thành Active Router cho vlan10, vlan30
vì có độ ưu tiên cao hơn ở DS_SW2 trên standby group 1 và standby group 3. Còn
DS_SW2 trở thành Active Router cho vlan20. Lúc này traffic ở các vlan sẽ được forward
qua cổng FastEthernet1/2 trên cả DS_SW2
Mặc định tính năng preempt trong HSRP chưa được enable để chiếm quyền active
khi có độ ưu tiên cao hơn. Do vậy khi cấu hình triển khai trong mạng doanh nghiệp ta cần
enable tính năng này lên.
Interface tracking cho phép theo dõi hoạt động của Interface, khi interface đang bị
theo dõi bởi HSRP group không còn hoạt động thì độ ưu tiên trên group đó bị giảm đi
theo số khai báo đi kèm trong tracking. Ví dụ: DS_SW1(config-if)# standby 3 track
FastEthernet1/3 70 thì khi cổng FastEthernet1/3 không còn hoạt động nữa độ ưu tiên

của HSRP group 3 sẽ giảm đi 70 hay nói cách khác độ ưu tiên của group 3 trên DS_SW1
giờ chỉ còn lại là 150 – 70 = 80 nhỏ hơn HSRP group 3 trên DS_SW2, do đó DS_SW2 sẽ
chuyển lên thành Active Router cho HSRP group 3.
Có thể dùng cơ chế chứng thực giữa các HSRP group bằng câu lệnh
DS_SW2(config-if)# standby 3 authentication ispace30 với key truyền đi ở dạng
cleartext. Từ phiên bản IOS version 12.3 (2) T trở về sau có thể sử dụng cơ chế chứng
thực mã hoá key với MD5.
HSRP có hai version, ta đang triển khai cấu hình ở trên là version 1 (HSRP default).
HSRP version 1 có thể tạo được các group từ 0 đến 255. Các HSRP Router trao đổi gói
tin Hello thông qua địa chỉ multicast 224.0.0.2, nó có thể xung đột với giao thức Cisco
Group Management Protocol (CGMP). Do vậy hai giao thức này không được hoạt động
đồng thời.


HSRP version 2 có thể tạo các group từ 0 đến 4095 và có MAC address từ
0000.0C9F.F000 đến 0000.0C9F.FFFF. HSRP version 2 sử dụng địa chỉ multicast
224.0.0.102 để gửi các gói tin Hello, do vậy không bị xung đột với giao thức CGMP.

4. Kết luận
Hệ thống mạng của doanh nghiệp luôn cần phải triển khai cơ sở hạ tầng mạng sao cho
các Client luôn truy cập được đến Server quan trọng trong hệ thống mạng hay Internet
vào bất kỳ thời điểm nào.
Cơ chế dự phòng trên router cho phép hai hoặc nhiều router làm việc như một group để
duy trì cơ chế forward các gói tin IP. Một Default Gateway hoặc Proxy ARP đơn sẽ
không cung cấp được cơ chế dự phòng cho hệ thống mạng doanh nghiệp.
HSRP là một trong số các tính năng của Cisco cung cấp cơ chế dự phòng trên router hay
Cisco Layer 3 Switch cho các thiết bị đầu cuối.Các hoạt động của HSRP cung cấp cơ chế
dự phòng nonstop path cho gói tin IP.
Một router được kích hoạt tính năng HSRP sẽ tồn tại một trạng thái cụ thể hoặc di chuyển
đến một trong dãy các trạng thái của nó. HSRP được kích hoạt trên mỗi Interface và cấu

hình với lệnh standby. Preempt, timers, và Interface tracking là các tuỳ chọn dùng để cấu
hình làm tối ưu cơ chế HA với HSRP.
Ngoài ra, HSRP còn cung cấp cơ chế Load Sharing, mỗi interface trên router có thể là
thành viên của nhiều HSRP group. Trên mỗi group chúng ta sẽ đưa ra kế hoạch triển khai
đóng vai trò Active hay Standby group đó. Nếu đã Active cho group này thì phải đóng
vai trò Standby cho group kia và ngược lại.
Trong khuôn khổ bài viết này, chúng tôi chỉ trình bày về cơ chế dự phòng với HSRP và
cấu hình cơ bản. Chúng tôi sẽ tiếp tục loạt bài viết về cơ chế dự phòng với các giao thức
VRRP, GLBP, cũng như triển khai lab nâng cao với các giao thức đó. Hơn thế nữa,
chúng tôi sẽ cung cấp cách thức triển khai các giao thức trên trên môi trường mạng doanh
nghiệp chạy trên nền tảng IPv6.

5. Tài liệu tham khảo.
[1]. Slide bài giảng môn học Xây dựng hạ tầng mạng, Khoa MTT, Trường CĐN CNTT
iSpace, 2012.
[2]. Campus Network for High Availability Design Guide, Cisco Systems, 2008.


[3]. Wade Edwards, CCNP® Complete Study Guide, SYBEX Inc, 2005.