【図解でわかる】VRRP/HSRP 概要と仕組み 超入門

➊ はじめに

「VRRP / HSRP」の技術について触れることがあったので、概要レベルだけでなく仕組みも知りたいと思い調べてみました。せっかくなので、調査内容を共有します😊

➋ 具体的に何をするか

本記事でのターゲットは、「VRRP / HSRP」の概要、および、仕組みを理解できるようになることです。まずは、基本の用語から整理していきましょう📝

■ VRRP / HSRP とは

❇️ 概要

「VRRP / HSRP」とは、ネットワークの可用性を高めるために、複数のルーターをグループ化し、仮想的な1つのルーターとして動作させる技術のことです。これにより、ルーターに障害が発生した場合でも、別のルーターが自動的にその役割を引き継ぎ、サービスを継続することが可能となります。

略称	正式名称	直訳
VRRP	Virtual Router Redundancy Protocol	仮想ルーター冗長化プロトコル
HSRP	Hot Standby Router Protocol	ホットスタンバイ・ルーター・プロトコル

❇️ VRRP/HSRPはなぜ必要？

社内のインターネット接続ルーターが故障すると全員の通信が止まってしまいます。これを防ぐためにルーターを冗長化しておけば、1台のルーターに障害が発生しても、他のルーターがサービスをカバーすることができます。

❇️ VRRPとHSRPの違い

VRRPとHSRPについて、細かい違いはあれど、大きな違いはマルチベンダーなのか、Ciscoなのかの違いです。HSRPはCisco専用です。

項目	VRRP	HSRP
規格	RFC 5798（2010年標準化）	Cisco独自規格
ベンダー依存性	マルチベンダー対応（標準準拠）	Cisco製品のみ（他社は対応不可）
グループ番号	1〜255	0〜255
仮想MACアドレス形式	00:00:5E:00:01:XX	00:00:0C:07:AC:XX
優先度デフォルト値	100	100
稼働状態	Master(稼働側) / Backup(待機側)	Active(稼働側) / Standby(待機側)
切替判定	Helloパケットの有無	Helloパケットの有無
Hello送信間隔（デフォルト）	1秒	3秒
Helloパケットが途絶してから切替判定までの待ち時間 （デフォルト）	Master_Down_Interval 3.61秒	Hold Timer 10秒
Preempt（復帰時のMaster奪取）	デフォルトで有効	デフォルトで無効
バージョン	v2（IPv4専用）、v3（IPv4/IPv6両対応）	v1（IPv4）、v2（IPv4/IPv6）

• 稼働状態ですが、VRRPでは「Master / Backup」、HSRPでは「Active / Standby」と呼びます。
• Helloパケットが途絶してから切替判定までの待ち時間ですが、VRRPでは「Master_Down_Interval」、HSRPでは「Hold Timer」と呼びます。

➌ 基本構成

以下、主にVRRPで解説していきます👽️

（1）単一構成

クライアントPCネットワークとサーバネットワークの2つがあり、それぞれ外部のネットワークとRouter1とRouter3で接続している単一構成があったとします。この場合、Router1やRouter3のどちらか一方でも故障するとクライアントPCネットワークとサーバネットワークはそれぞれ通信ができなくなってしまいます。

（2）冗長化構成

そこでVRRP/HSRPという冗長化技術の登場です。この技術は、複数のルータで同じ仮想ゲートウェイ（VIP：Virtual IPアドレス）を共有し、1台が故障しても自動的に別のルータへ切り替える仕組みです。VRRPではMaster／Backup構成を取り、Masterが通信を行います。Masterに障害が発生した場合、BackupがMasterに昇格し、新しいMasterが通信を担います。

こちらがRouter2、Router4を追加して、VRRP/HSRPを用いて冗長化した構成図になります。
この場合、Router1とRouter2、Router3とRouter4を冗長ペアとして、それぞれ仮想IPアドレス（VIP：Virtual IPアドレス）を割り振ります。クライアントPCには、デフォルトGWとして仮想IPアドレスを設定します。こうすることで、クライアントPCからはRouter1、Router2どちらがMasterかを意識することなく、通信を行うことができます。

➍ 障害発生時の動作

例えば、Router1が故障した場合を考えてみましょう。

• Master不在による昇格
  Router1が故障すると、待機していたRouter2が自動的にMasterへ切り替わり、通信を引き継ぎます。

• 通信疎通NGによる昇格
  Router3が上位ネットワークであるRouter1と通信ができないと判断すると、待機していたRouter4が自動的にMasterへ切り替わり、通信を引き継ぎます。

➎ 障害検知の仕組み

障害発生時にBackupからMasterへ昇格することが分かりました。ここでは検知の仕組みを解説します。

（1）Master不在検知

Router2がRouter1の障害をどうやって検知したのか、その仕組みについて簡単に解説します。

MasterからBackupへ定期的にHelloパケットを送信（送信間隔はVRRPではデフォルト1秒）しています。Backupでは、Master_Down_Interval（Helloパケットが途絶してから切替判定までの待ち時間。VRRPではデフォルト3.61秒）の間にHelloパケットを受信できない場合、「Master不在」と判断し、自分がMasterへ昇格します。

（2）通信疎通NG検知

Router3がRouter1の障害をどうやって検知したのか、その仕組みについて簡単に解説します。

Router3側が、上位ネットワークであるRouter1の障害を検知する方法として、VRRP/HSRPで利用できるトラッキング機能は大きく分けて3種類あります。

種類	方法	検知対象	長所	短所
インターフェース状態監視	上位インターフェースのLine Protocol（Up/Down）を監視	ケーブル抜け、スイッチ電源断など物理障害	即時検知（ほぼ0秒）	物理的にUpでも、上位機器や経路が死んでいる場合は検知不可
経路存在監視（Track Route）	ルーティングテーブルに特定の経路が存在するか確認	OSPF/BGPなどの経路喪失	経路消失時に素早く切替可能	ルーティングプロトコルの収束時間に依存
到達性監視（Track IP Reachability）	ICMP Echo（Ping）で指定ノードに到達できるか確認	経路があっても通信できない障害（上位ルータ故障、回線不良など）	実通信の可否を直接検証可能	監視対象がPing応答しない場合は利用不可、誤検知リスクあり

いずれかに問題があった場合、Router3は「上位ネットワーク障害あり」と判断し、自身のVRRP/HSRP優先度を下げます。Backup側は、Masterから受信するHelloパケット内の優先度情報を比較し、自分の方が高ければMasterに昇格します。

「インターフェース状態監視」、「経路存在監視」、「到達性監視」の総称をトラッキング機能と呼びます。VRRP・HSRPともに、このトラッキング機能はデフォルトでは無効です。設定しない限り、障害検知はHelloパケットの有無だけで行われます。

➏ Master切替制御の仕組み

いきなりですが「L2 Switch」登場✌️！
上記構成図には無いL2 Switchをいきなり出して申し訳ないのですが、実情としてクライアントPCとルーターの間にL2 Switchが入るような構成になっています。（さっきまでは省略していたのだよ😎…）

クライアントPCは、デフォルトゲートウェイとして設定された仮想IPアドレス宛にパケットを送信します。このパケットはARP解決によって、仮想IPアドレスに対応する仮想MACアドレス宛のフレームとして送信されます。VRRP/HSRPでは、この仮想MACアドレスの「持ち主」を切り替えることで、Masterの役割交代を実現しています。

（1）平常時（RT1がMaster）

• Router1が、仮想MAC（00:00:5E:00:01:01）を自インターフェースに設定
• Router1が、仮想MAC（00:00:5E:00:01:01）を使ってフレーム送信
• L2 Switchは「このMACはポート16の先にある」とMACアドレステーブルに登録
• クライアントからの通信は、Router1の接続先ポート16（GigabitEthernet 1/0/16）に転送される

【例】L2 SwitchのMACアドレステーブル

SW1# show mac address-table dynamic
          Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan    Mac Address       Type        Ports
----    -----------       --------    -----
   10   0000.5e00.0101    DYNAMIC     Gi1/0/16   ← RT1 (Master)
   10   0000.aaaa.bbbb    DYNAMIC     Gi1/0/5    ← クライアントPC1
   10   0000.cccc.dddd    DYNAMIC     Gi1/0/6    ← クライアントPC2

（2）RT1障害発生時（RT1故障、RT2がMaster昇格）

• Router2が、仮想MAC（00:00:5E:00:01:01）を自インターフェースに設定
• Router2が、仮想MAC（00:00:5E:00:01:01）を使ってフレーム送信開始
• L2 Switchは「同じMACがポート13から来た」と検知し、MACアドレステーブルを更新
• 以後、クライアントからの通信は、Router2の接続先ポート13（GigabitEthernet 1/0/13）に転送される

【例】L2 SwitchのMACアドレステーブル

SW1# show mac address-table dynamic
          Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan    Mac Address       Type        Ports
----    -----------       --------    -----
   10   0000.5e00.0101    DYNAMIC     Gi1/0/13   ← RT2 (新Master)
   10   0000.aaaa.bbbb    DYNAMIC     Gi1/0/5    ← クライアントPC1
   10   0000.cccc.dddd    DYNAMIC     Gi1/0/6    ← クライアントPC2

※ポイントは、L2 SwitchのMACアドレステーブルが、同じMACが別ポートから現れた瞬間に更新されるという仕組みです。これにより、ルーティングの再計算を待たずに即時切替が可能になります。

❇️ Master昇格時のフロー詳細

フェーズ	動作	宛先（送信先MAC/IP）	目的	備考
1.仮想MAC割当	Router2が仮想MAC（例：00:00:5E:00:01:01）を自インターフェースに設定	―（設定動作のため宛先なし）	「仮想IP＝このMAC」の関連付けを持つデバイスとして動作開始	これを行わないと仮想IP宛の通信を受けられず冗長化が成立しない
2.VRRP/HSRPHello送信	新しいMasterとしてHelloパケットを送信開始	VRRP:224.0.0.18（MAC:01:00:5E:00:00:12） HSRP:224.0.0.2（MAC:01:00:5E:00:00:02）	他のBackupルーターに「自分がMasterになった」ことを通知	プロトコル規格上の動作で、昇格直後から送信開始するのが一般的
3.GratuitousARP送信	自分の仮想IP/MAC情報をブロードキャスト送信	MAC:ff:ff:ff:ff:ff:ff IP:仮想IP（例:192.168.1.254）	クライアントやL2スイッチのARPキャッシュ・MACテーブルを即更新	RFC上は必須ではないが、多くの実装で昇格時に送信し通信断を防ぐ
4.通常データフレーム送信	実際のユーザーデータ通信を仮想MACを送信元として流す	宛先MAC:通信先デバイスのMAC	L2スイッチのMACアドレステーブル更新・維持	昇格後すぐに実際のユーザートラフィックを転送開始する

※BackupルーターがMasterに昇格すると、ただちにネットワーク内の機器へ「自分が仮想IP/MACの持ち主になった」ことを知らせるための一連の処理を行います。この流れは、冗長化を途切れなく機能させる上で非常に重要です。
※GratuitousARP（読み方：グラチュータスアープ）：ARPキャッシュの期限切れ以外のタイミングで、自発的にARPを送る機能です。GARPとも呼ばれます。

➐ その他

あと気がついた機能とか、メモ書き程度に記載しておきます。

（1）Masterの障害復帰時の動作

プリエンプト（Preempt）とは、直訳すると優先奪取のことで、VRRPやHSRPの冗長化構成で、復帰したルータが優先度（Priority）で勝っている場合に、自動的に稼働役（Master/Active）の座を奪い返す動作です。VRRPとHSRPではデフォルト設定が異なり、それぞれメリット・デメリットがあります。

❇️ プリエンプトON

• VRRP：プリエンプト デフォルトON
• 優先度が高ければ、復帰Masterが再びMaster化
• 仮想MACを再取得、ARP応答を自分に戻す

常に高性能ルータを使用したい場合に有効

❇️ プリエンプトOFF

• HSRP：プリエンプト デフォルトOFF
• 現在のMasterを維持し、復帰Masterは待機へ
• 再切替による瞬断を防ぐ

瞬断を嫌う安定志向の場合に有効

（2）高速障害検知プロトコル：BFD

BFD（Bidirectional Forwarding Detection）とは、リンクや経路の疎通を高速かつ軽量に監視するプロトコルです。VRRPやHSRPにおけるHelloパケットの代替ではなく共存可能で、併用により障害検知時間をミリ秒単位まで短縮できます。

• 役割：BFDで障害検知 → VRRP/HSRPが即時切替
• メリット：Helloの待機時間（数秒）を短縮し、瞬断を最小化
• 条件：両機器がBFD対応であること

➑ まとめ

• VRRP / HSRP はルーターを冗長化し、可用性を高める技術
• VRRP：標準化（RFC 5798）され、マルチベンダー環境に有利
• HSRP：Cisco独自規格で、Cisco機能との親和性が高い
• 障害検知方法：
  • Helloパケットによる検知（デフォルト）
  • トラッキング機能による補強（インターフェース／経路／到達性監視）
  • BFDによる高速障害検知（Helloパケットと併用可）
• 切替方式：仮想MACアドレスの「持ち主」を切替えるだけなので、クライアント側設定変更は不要（ルーターの設定のみで完結）
• 復帰後の動作：プリエンプト（主役奪取）設定により挙動が変わる
  • ON：優先度が高ければ復帰ルータが主役に戻る
  • OFF：現在の主役を維持して安定性を優先

➒ 終わりに

自分の勉強、備忘録にもなるかなと思い記事を作りましたが、なかなか、カユイところに手が届いたような記事になったと思いますが、いかがでしょうか？

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お疲れさまでした😊