Unidad 04 — Redundancia en redes de datos

El objetivo de la redundancia es asegurar la continuidad del funcionamiento ante un fallo simple (un fallo en un punto específico de la red), previendo caminos alternativos que se utilicen automáticamente si los actuales dejan de estar disponibles. Este curso analiza la redundancia en tres niveles: dentro de la LAN (protocolos de primer salto redundante: HSRP, VRRP, GLBP), entre Sistemas Autónomos (multihoming con BGP) y en sistemas de servidores (Round Robin de DNS, Anycast, Server Load Balancing).

Conceptos clave

HSRP (Hot Standby Router Protocol)

Mecanismo propietario de Cisco (1994, RFC 2281) que provee una salida redundante a los hosts de una LAN mediante una IP y una MAC virtuales compartidas por un router activo y uno standby.

VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol)

Mecanismo creado por IETF en 1999 (RFC 3768), similar a HSRP pero de múltiples proveedores (no propietario), con temporizadores más rápidos por defecto.

GLBP (Gateway Load Balancing Protocol)

Mecanismo de Cisco (2005) que permite balance de carga real del default gateway sin necesidad de definir múltiples grupos (a diferencia de MHSRP), usando los roles AVG y AVF.

AVG y AVF (terminología GLBP)

AVG (Active Virtual Gateway): responde las solicitudes ARP a la IP virtual y asigna a cada router del grupo una MAC virtual distinta. AVF (Active Virtual Forwarder): router responsable de reenviar el tráfico dirigido a una de esas MAC virtuales (hasta 4 AVF por grupo).

MHSRP (Multi-group HSRP)

Balanceo de carga mediante dos (o más) grupos HSRP independientes en la misma LAN: un router es activo en un grupo y standby en el otro, y viceversa. Distintos hosts usan distinta IP virtual como default gateway.

Multihoming

Redundancia de proveedores de acceso a Internet mediante BGP, empleando un número de Sistema Autónomo público para identificar el origen de las publicaciones de direcciones propias.

Round Robin de DNS

Tener más de un registro DNS para un mismo nombre, devolviendo la lista en distinto orden en cada consulta. No detecta fallos de servidor ni asegura balance real de carga.

Anycast

Replicar servidores con el mismo direccionamiento IP; el cliente accede por el camino de menor métrica. Requiere dejar de anunciar la ruta ante una caída, y solo sirve para servicios resolubles con un solo paquete (falta de persistencia), típicamente DNS.

SLB (Server Load Balancing)

Granja de servidores reales detrás de un balanceador de carga accesible mediante una única IP virtual, que reparte el tráfico entre ellos.

HSRP — Hot Standby Router Protocol

HSRP involucra dos routers: uno será el activo y el otro permanecerá en standby para intervenir en caso de fallo del activo. Los hosts configuran como default gateway la IP virtual de HSRP; ambos routers también tienen sus propias IP en la LAN. Los equipos deben poder verse por la LAN e intercambian sus parámetros de configuración mediante paquetes de hello (cada 3 segundos), con un hold timer de 10 segundos que determina cuándo el standby debe pasar a activo si dejó de escuchar hellos.

El router activo responde las solicitudes de ARP con una dirección MAC virtual (formato 0000.0C07.ACxx, donde xx es el número del grupo standby), independiente de la MAC propia del router. Al conmutar el rol de activo, el nuevo activo envía un ARP gratuito con la MAC virtual para que los switches actualicen sus tablas y redirijan el tráfico dirigido a esa MAC por el puerto correspondiente. La prioridad determina quién es el activo (gana la mayor); standby preempt permite que un router recupere el rol de activo si vuelve a estar disponible con mayor prioridad que el activo actual.

Nótese que HSRP solo afecta el tráfico saliente de la LAN. La redundancia para el tráfico entrante se logra por medio de los anuncios de las rutas de la LAN a través de ambos routers (vía el IGP correspondiente).

¿Qué pasa si el router activo pierde su uplink?

La opción de tracking evita que R1 siga cursando tráfico "en desvío" hacia R2 y hace que el router sin salida deje de ser el activo HSRP.

Laboratorio: configuración y verificación

R1
interface FastEthernet1/0
  ip address 10.0.1.2 255.255.255.0
  standby 1 ip 10.0.1.1
  standby 1 priority 110
  standby 1 preempt

R2
interface FastEthernet1/0
  ip address 10.0.1.3 255.255.255.0
  standby 1 ip 10.0.1.1
  standby 1 priority 105

R1#show standby brief
Interface  Grp  Pri P State   Active     Standby   Virtual IP
Fa1/0      1    110 P Active  local      10.0.1.3  10.0.1.1

MHSRP: redundancia + balanceo de carga

En HSRP es posible definir instancias (grupos) independientes, de modo de tener dos parejas diferentes de direcciones IP y MAC virtuales. Uno de los routers será el activo para una de esas parejas, y el otro lo será para la otra. En parte de los hosts se configura como default gateway una de las direcciones IP virtuales, y en el resto la otra, repartiendo así el tráfico saliente entre ambos routers.

Router R1                              Router R2
interface Ethernet0/0                  interface Ethernet0/0
 ip address 192.168.0.2 255.255.255.0   ip address 192.168.0.3 255.255.255.0
 standby 1 priority 110                 standby 1 priority 105
 standby 1 preempt                      standby 1 ip 192.168.0.11
 standby 1 ip 192.168.0.11              standby 2 priority 110
 standby 2 priority 95                  standby 2 preempt
 standby 2 ip 192.168.0.12              standby 2 ip 192.168.0.12

VRRP y GLBP

VRRP — Virtual Router Redundancy Protocol

VRRP es un mecanismo creado por IETF en 1999 (RFC 3768), similar a HSRP pero utilizado por equipos de múltiples proveedores (no es propietario). Tiene temporizadores más rápidos que HSRP por defecto: hello cada 1 segundo. El hold timer se calcula como Hold time = 3 × Advertisement + tiempo skew, donde el tiempo skew permite que cada router difiera del resto en el tiempo total que espera, siendo inversamente proporcional a la prioridad.

Router A                                Router B
interface Ethernet0/0                   interface Ethernet0/0
 ip address 10.0.0.2 255.255.255.0       ip address 10.0.0.3 255.255.255.0
 vrrp 1 preempt                          vrrp 1 preempt
 vrrp 1 priority 110                     vrrp 1 priority 105
 vrrp 1 ip 10.0.0.1                      vrrp 1 ip 10.0.0.1

GLBP — Gateway Load Balancing Protocol

GLBP es un mecanismo de Cisco (2005), desarrollado a partir de HSRP, que permite efectuar balance de carga sin necesidad de crear múltiples grupos (a diferencia de MHSRP), pudiendo definir hasta 1024 grupos. Permite el envío de mensajes autenticados mediante MD5. Los routers GLBP emplean por defecto la dirección multicast 224.0.0.102 para enviar hellos a sus peers, cada 3 segundos, mediante UDP puerto 3222 (origen y destino).

Terminología: AVG (Active Virtual Gateway) asigna a cada router del grupo una MAC virtual única (formato 0007.B400.xxYY, donde xx es el número de grupo GLBP e YY el número propio de cada router), y es responsable de operar el protocolo. AVF (Active Virtual Forwarder): dentro de cada grupo se elige un router AVF para cada dirección MAC virtual, responsable de reenviar los paquetes enviados a esa MAC; pueden existir hasta 4 AVF por grupo. Solo hay una IP virtual (vIP) por grupo, con al menos un miembro.

GLBP admite tres algoritmos de balance de carga para adaptarse a distintos entornos:

• Round-Robin: cada MAC virtual de router activo (AVF) se incluye por turnos para responder a la solicitud ARP de la IP del router virtual.
• Por peso (Weighted): la cantidad de carga enviada a un AVF depende de un valor de peso publicado por el gateway que lo contiene.
• Dependiente del Host (Host-Dependent): se garantiza que un cliente use siempre la misma MAC virtual mientras esté participando en el grupo GLBP.

Multihoming: redundancia entre Sistemas Autónomos

Cuando se desea disponer de redundancia de proveedores de acceso a Internet, se debe emplear BGP en modalidad de multihoming, lo cual implica el empleo de un número de Sistema Autónomo público para identificar el origen de las publicaciones de direcciones. En cualquier caso, interesa que se evite el tránsito de tráfico de otros AS a través del AS propio, lo cual resultaría en un consumo indeseado de recursos de la red.

Control de tráfico saliente: tres alternativas de recepción

Se presentan tres alternativas de acceso, según qué rutas se reciben de los proveedores:

1. Solo rutas default: se acepta solamente 0.0.0.0/0 de cada proveedor mediante una prefix-list, y el router local elige la de menor métrica IGP.
2. Rutas directamente conectadas (partial routing): además de la default, se aceptan las rutas originadas en cada AS proveedor (filtradas por AS-Path con as-path access-list), permitiendo elegir el AS-Path más corto para esos destinos.
3. Rutas completas de todos los proveedores (full routing): se recibe la tabla completa de Internet de ambos proveedores, sin restricción, y BGP elige por AS-Path más corto (u otros atributos) para cualquier destino.

! Configuración para recibir sólo rutas default
router bgp 63036
 network 1.0.0.0
 network 2.0.0.0
 neighbor 10.10.10.10 remote-as 64250
 neighbor 10.10.10.10 route-map sololocal out
 neighbor 10.10.10.10 prefix-list DEFAULT in
 neighbor 20.20.20.20 remote-as 65000
 neighbor 20.20.20.20 route-map sololocal out
 neighbor 20.20.20.20 prefix-list DEFAULT in
!
ip prefix-list DEFAULT seq 5 permit 0.0.0.0/0

Control de tráfico entrante

Si se desea que el tráfico a distintos destinos de una red tenga distintos puntos de ingreso, pero con posibilidad de redundancia en caso de fallos, se puede publicar rutas con distinta especificidad por cada punto de ingreso: por cada punto se publica la ruta específica a la que se desea que se dirija el tráfico entrante por ese punto, además de la sumarización de los bloques por todos los puntos. Ante el fallo de un punto de ingreso, el tráfico que normalmente entraba por él seguirá llegando por el otro, porque el bloque sumarizado sigue publicándose.

Otra alternativa consiste en el empleo de prepends selectivos: se aplican prepends de AS-Path a un rango de direcciones hacia un proveedor (para desalentar la entrada por ese enlace) y al rango complementario hacia el otro proveedor, logrando así un reparto de carga entrante con redundancia.

route-map Prepends1 permit 10
 match ip address 1
 set as-path prepend 63036 63036 63036 63036
!
access-list 1 permit 100.0.0.0 0.0.0.255

Redundancia en sistemas de servidores

Round Robin de DNS

Consiste en tener más de un registro DNS para un mismo nombre, de modo que cada uno devuelve una dirección IP diferente. Ante una consulta, el DNS devuelve la lista de registros haciendo una permutación circular en cada respuesta, para variar el orden. El cliente utilizará en primer lugar la primera opción de la lista, y solo recurrirá a la siguiente si la primera falla.

Como desventaja: si un servidor falla, el DNS seguirá informando su dirección (no hay detección de caída), el comportamiento de los clientes ante la lista no está estandarizado, y si existen sistemas de caché de respuestas DNS de por medio, la distribución de carga puede desequilibrarse porque se tiende a reiterar el uso de ciertas direcciones que quedan en memoria.

Anycast

Consiste en tener replicados los servidores con el mismo direccionamiento IP. El cliente accederá al servidor por el camino de menor métrica en la red. Si un servidor falla, es necesario que la ruta al mismo deje de anunciarse; esto se logra en general implementando enrutamiento mediante el sistema operativo del servidor, controlando las rutas que publica según la disponibilidad del servicio.

Una limitación del mecanismo es la falta de "persistencia": si un cliente necesita enviar más de un paquete en una misma consulta y la red hace balance de carga, un paquete podría llegar a un servidor y el siguiente a otro que no entendería de qué se trata, descartándolo. Por esa razón, este mecanismo se emplea solo para consultas resolubles con un solo paquete de solicitud, como suele suceder en servicios de DNS.

Server Load Balancing (SLB)

Independientemente de que se use Anycast o Round Robin, la implementación de un servicio suele consistir en una granja de servidores detrás de un balanceador de carga. Los servidores reales son los que responden a las consultas de los clientes, pero es el balanceador el que las recibe y reparte la carga entre ellos; el servicio siempre es accesible a través de una única dirección IP virtual.

Cheat sheet — Redundancia

• HSRP (Cisco, RFC 2281): hello 3s / hold 10s. MAC virtual 0000.0C07.ACxx. Prioridad más alta = activo. standby preempt para recuperar el rol. standby <grupo> track <interfaz> decrementa la prioridad (10 por defecto) si cae el uplink monitoreado.
• VRRP (IETF, RFC 3768): hello 1s por defecto. Hold = 3×Advertisement + tiempo skew (inversamente proporcional a la prioridad).
• GLBP (Cisco, 2005): hello 3s, multicast 224.0.0.102, UDP 3222. AVG asigna MAC virtuales; hasta 4 AVF por grupo; hasta 1024 grupos. Algoritmos: Round-Robin, Por Peso, Dependiente del Host. Único que balancea carga sin necesitar múltiples grupos ni default gateways distintos.
• MHSRP: balanceo mediante 2+ grupos HSRP, cada router activo en uno y standby en otro.
• HSRP/VRRP solo protegen el tráfico saliente de la LAN; el entrante depende de los anuncios de rutas del IGP.
• Multihoming BGP — 3 alternativas de recepción: solo default · partial routing (default + rutas de clientes por AS-Path) · full routing table.
• Tráfico saliente: se controla con route-map + prefix-list / as-path access-list en cada neighbor.
• Tráfico entrante: distinta especificidad por punto de ingreso (con sumarización de respaldo), o prepends selectivos por rango de direcciones.
• Round Robin DNS: no detecta caídas de servidor. Anycast: requiere dejar de anunciar la ruta al caer, sin persistencia (solo servicios de 1 paquete, ej. DNS). SLB: granja de servidores tras una IP virtual y un balanceador.
• Stateless Backup (redundancia de balanceadores) se implementa con HSRP en switches de capa 3.