CN103155500A - 用于网络业务流的无状态负载平衡的方法、系统和计算机可读介质 - Google Patents

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Abstract

公开了用于执行网络业务流的无状态负载平衡的方法、系统和计算机可读介质。根据一个方案，本文描述的主题包括用于执行网络业务流的无状态负载平衡的方法。所述方法发生在层3分组转发和层2交换装置处。所述方法包括以所述装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自客户端的地址解析协议（ARP）请求，所述ARP请求包括由所述装置和耦合到所述装置上的多个服务器所分配的虚拟IP（VIP）地址。所述方法还包括从所述客户端接收发往所述VIP地址且具有所述装置的所述MAC地址的分组。所述方法还包括利用对所述客户端而言表现为层2交换操作的层3转发操作在所述服务器中负载分配所述分组。

Description

用于网络业务流的无状态负载平衡的方法、系统和计算机可读介质
优先权要求
本申请要求享有于2010年5月14日递交的、美国临时专利申请No.61/334,724以及于2010年5月24日递交的、美国专利申请No.12/786,152的优先权；通过引用将这些专利申请中的每一个的公开内容整体并入本文。
技术领域
本文描述的主题涉及负载平衡。更具体地，本文描述的主题涉及用于网络业务流的无状态负载平衡的方法、系统和计算机可读介质。
背景技术
负载平衡（本文中也称作服务器负载平衡（SLB））是一种在多个装置中分配工作量以便提高生产率的方法。例如，可使用多个服务器为网络中的客户节点（诸如计算机、移动电话等）提供服务。SLB的当前实现通常落入到两个主要范畴内：有状态和无状态。有状态实现可以追踪和记录关于每个网络流（例如，相关分组的流）的状态（例如，协议、端口、地址、每天的时间、序列号、分组大小、流的持续时间等），这样能够提供最精确的、粒度级的且特征丰富的负载平衡方案。特别地，有状态实现可以提供内容过滤和内容感知交换。例如，有状态负载平衡器可以阻止某些流（例如，基于协议标识符或端口号）被负载平衡，并且有状态负载平衡器可以识别流中的某些事件（例如，建立会话、已发生超时、会话已结束等）或可以识别流中的内容（例如，被传送的文件），并且，利用该状态信息，可以执行适当的动作（例如，将流锁定到用于给定应用、会话或服务的特定服务器）。虽然有状态实现能够提供各种特征，但是有状态实现通常是资源昂贵的且会受限于可扩展性和性能问题。
相反地，无状态实现通常是资源廉价的。无状态实现典型地利用基于分组的散列法来分配业务，而不存储关于每个网络流的状态或信息。例如，可将分组字段信息（例如，源互联网协议（IP）地址和目的地IP地址）输入到散列方案中用于确定哪个服务器接收每个分组。由于散列值对于计算而言通常是资源廉价的，所以这些无状态实现一般实现起来更快且更容易。虽然无状态实现能够比有状态实现提供更好的性能（例如，更大的分组吞吐量），但是无状态实现缺乏特征并且具有局限性。例如，无状态实现可能缺乏cookie或会话感知。另外，通常无状态实现中的流持续性较不可靠。也就是说，无状态实现在将网络业务流的分组分配到相同服务器方面通常较不一致。此外，传统的无状态负载平衡器需要严格的寻址方案，这会限制分派负载平衡工作量的粒度。
因此，需要改善网络业务流的无状态负载平衡的方法、系统和计算机可读介质。
发明内容
根据一个方面，本文描述的主题包括一种用于执行网络业务流的无状态负载平衡的方法。所述方法发生在层3分组转发和层2交换装置处。所述方法包括以所述装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自客户端的地址解析协议（ARP）请求，所述ARP请求包括由所述装置和耦合到所述装置上的多个服务器所分配的虚拟IP（VIP）地址。所述方法还包括从所述客户端接收发往所述VIP地址且具有所述装置的所述MAC地址的分组。所述方法还包括利用对所述客户端而言表现为层2交换操作的层3转发操作在所述服务器中负载分配所述分组。
根据另一方面，本文描述的主题包括一种用于执行网络业务流的无状态负载平衡的层3分组转发和层2交换装置。层3分组转发和层2交换装置包括：地址解析协议（ARP）代理功能模块，用于以所述装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自客户端的ARP请求，所述ARP请求包括由所述装置和耦合到所述装置的多个服务器分配的虚拟IP（VIP）地址。层3分组转发和层2交换装置还包括负载平衡模块，其从所述客户端接收发往所述VIP地址且具有所述装置的所述MAC地址的分组，并且所述负载平衡模块利用对所述客户端而言表现为层2交换操作的层3转发操作在所述服务器中负载分配所述分组。
本文描述的用于网络业务流的无状态负载平衡的主题可以在硬件、软件、固件或其各种组合中得以实现。这样，本文中使用的术语“功能”或“模块”指的是用于实现所描述的特征的硬件、软件和/或固件。在一个示例性实现中，可以利用其上存储的具有计算机可执行指令的非瞬态计算机可读介质来实现本文描述的主题，当计算机控制的处理器执行所述指令时，所述计算机执行步骤。适于实现本文描述的主题的示例性计算机可读介质包括非瞬态计算机可读介质，例如磁盘存储设备、芯片存储设备、可编程逻辑设备和专用集成电路。另外，实现本文描述的主题的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上，或者可以分布到多个设备或计算平台。
附图说明
图1为根据本文描述的主题的实施例的用于无状态负载平衡的示例性系统的网络图；
图2为根据本文描述的主题的实施例的示例性层3转发表和ECMP数据结构的图；
图3为示出了与执行用于网络业务流的无状态负载平衡相关的示例性消息的消息流程图；
图4为用于执行本文描述的无状态负载平衡的具有层3功能的层2转发装置的示例性内部体系结构的框图；以及
图5为根据本文描述的主题的实施例的用于执行网络业务流的无状态负载平衡的示例性过程的流程图。
具体实施方式
如本文所使用的，负载平衡（在本文中也称为服务器负载平衡（SLB））指的是在一个或者多个装置（例如服务器）之间分配、平衡、分割或者以其他方式划分网络负载或业务。如在本文中所使用的，网络负载、网络业务、负载或者业务指的是在网络中传输、传向网络或者传自网络的分组。如本文所使用的，网络业务流、业务流、网络流、流等指的是在网络中传输、传向网络或者传自网络的一个或多个相关分组（例如，会话中的分组、来自源或目的地或者通向源或目的地的分组的单向流、或者来自或通向特定实体的分组）。如本文所使用的，网络节点、客户节点等指的是用于和一个或多个服务器进行通信的装置。如本文所使用的，服务器指的是用于提供服务或处理客户端的消息的任意装置。如本文所使用的，层2域或层2广播域指的是能够利用层2地址（例如，介质访问控制（MAC）地址）接收通信的节点。例如，层2域可以包括在相同物理网络或局域网络（LAN）内的节点（例如，使用相同子网掩码的节点）和/或在相同虚拟LAN（VLAN）内的节点。
图1为用于无状态负载平衡的示例性系统的网络图。参见图1，网络100包括连接到一起的多个装置，其中所述装置的组位于相同VLAN和IP子网中。例如，网络100可以包括网络装置或客户端106、层3分组转发和层2交换装置或L3PF/L2S装置102以及服务器104。客户端106和服务器104可以连接到L3PF/L2S装置102的一个或多个端口上。
在图1示出的实施例中，客户端106和服务器104被分组到两个层2域中。由于L3PF/L2S装置102能够从图1的所有节点处接收分组，所以L3PF/L2S装置102被分组到所述两个域中。在该实施例中，层2域包括位于相同子网和相同VLAN内的节点。在第二实施例中，层2域可以包括位于相同物理LAN内的节点，例如，由具有共同子网掩码的节点或由直接地或通过一跳（例如，L3PF/L2S装置102）连接到一起的节点表示的网络。在第三实施例中，每个层2域可以包括位于相同VLAN内但是部分在不同物理LAN内的节点。
在图1中，层2域1108包括具有在IP版本4（v4）地址范围为192.154.234.01-192.154.234.254内的IP地址的一组客户端和服务器节点。域1108的节点与VLAN1相关。层2域2108为具有在IP v4地址范围为192.128.10.01-192.128.10.254内的地址的一组客户端和服务器。域2108的节点与VLAN2相关。在图1所示的实施例中，每个子网与唯一的VLAN（或者VLAN标识符）相关。在第二实施例中，多个子网可以与一个VLAN相关。在第三实施例中，一个子网可以与多个VLAN相关。
VLAN允许不同的物理局域网利用层2交换机而不是层3路由器来彼此进行通信。层2交换机可以被配置为基于VLAN标识符控制业务。例如，可以通过将VLAN标识符插入到层2帧中来实现VLAN，和/或可以基于L3PF/L2S装置102处的端口来实现VLAN。也就是说，当层2业务到达L3PF/L2S装置102特定端口处和/或具有特定VLAN标识符时，如果层2转发数据库条目并不存在于用于层2业务的转发表中，则层2业务仅在L3PF/L2S装置102的与相同VLAN标识符相关的端口处和/或入站端口处泛洪。因此，VLAN用于控制层2业务的分配和泛洪。L3PF/L2S装置102提供客户端106和服务器104之间的分组转发。L3PF/L2S装置102可以提供与客户端106进行通信的一个或多个端口（本文中称为面向网络端口、网络端口或者客户端端口）以及与服务器104进行通信的一个或多个端口（本文中称为面向服务器端口或服务器端口）。L3PF/L2S装置102还为网络业务流提供负载平衡功能。在一个实施例中，L3PF/L2S装置102可被配置为利用虚拟IP寻址和代理地址解析协议（ARP）来提供SLB。另外，L3PF/L2S装置102可被配置为利用层3功能（例如ECMP路由硬件或模块）来负载平衡位于层2域内的网络业务流。
在图1所示的实施例中，域1108的三个客户端106连接到L3PF/L2S装置102处的第一网络端口上。如图所示，域1108的客户端106和第一网络端口与VLAN1相关。域2108的三个客户端106连接到L3PF/L2S装置102处的第二网络端口上。如图所示，域2108的客户端106和第二网络端口与VLAN2相关。服务器104连接到L3PF/L2S装置102处的服务器端口上。在有些实施例中，多个服务器104可以连接到单个端口。在图1所示的实施例中，每个服务器104连接到单独的端口。服务器104和服务器端口也可以与VLAN相关。在一个实施例中，服务器104是相同VLAN的成员。在第二实施例中，服务器104是多个VLAN的成员。如图所示，域1108的服务器104及其相关服务器端口与VLAN1相关。域2108的服务器104及其相关服务器端口与VLAN2相关。
可将服务器104组织到负载平衡组110中。例如，网络运营商可以经由所附的服务器将服务器端口配置为用于负载平衡与特定节点或节点组（例如，层2域内的节点）相关的网络业务。在一个实施例中，服务器104可以与相同的VLAN相关。为了允许在分派负载平衡责任中更大的粒度，每个LB组110可以与不同的虚拟IP（VIP）地址相关。与LB组110相关的每个VIP地址可以由其成员（例如服务器）分配。例如，L3PF/L2S装置102可以配置两个LB组110用于负载平衡与VLAN1相关的网络业务流。一个LB组110可以与192.154.234.2的VIP地址相关。第二LB组110可以与192.128.10.2的VIP地址相关。每个相应LB组110的每个服务器104可以使用被配置为接收发往特定VIP地址的分组的回环接口（例如，第一LB组110内的服务器104可以使用192.154.234.2，并且在第二LB组110内的服务器可以使用192.128.10.2）。L3PF/L2S装置102可以使用用于负载平衡发往VIP地址的分组的选择机制。例如，L3PF/L2S装置102可以基于分组内的VIP地址确定LB组110，并且可以利用分组散列方案来确定LB组110的哪个服务器104将接收分组。
在服务器104是多个VLAN的成员的实施例中，L3PF/L2S装置102可以按每LAN的基础来执行负载分配。按每LAN的基础的负载分配可以包括在作为特定VLAN的成员的服务器之中负载分配发往VIP地址的分组。在一个实施例中，L3PF/L2S装置102可以用不同VLAN的不同VIP地址配置LB组110。例如，L3PF/L2S装置102可以配置两个LB组110用于负载平衡网络业务流。一个LB组110可以与VLAN1和VIP地址192.154.264.2相关。第二LB组110可以与VLAN2和VIP地址192.128.10.2相关。在该示例中，L3PF/L2S装置102可以负载分配从VLAN1中的客户端向第一LB组110发送的VIP地址192.154.234.2的分组，并负载分配从VLAN2中的客户端向第二LB组110发送的VIP地址192.128.10.2的分组。在另一实施例中，L3PF/L2S装置102可以配置具有一个或多个相同VIP地址的LB组110来用于不同VLAN。例如，L3PF/L2S装置102可以负载分配从VLAN1中的客户端到第一LB组110（或者与客户端分配相同VLAN的一个或多个其它LB组）的分组分配相同VLAN作为客户端的一个或多个其它LB组），而不管使用哪个VIP地址。在又一实施例中，如果将分组发往与不同VLAN相关的VIP地址，L3PF/L2S装置102可以通知客户端（例如，利用错误消息或者其它消息）。
在一个实施例中，每个服务器104可以与其自身唯一的MAC地址以及与服务器104和交换机102所分配的VIP地址相关。服务器104还可以具有其自身唯一的IP地址和VLAN标识符。在一个实施例中，L3PF/L2S装置102可以转发发往服务器104的唯一IP地址的分组，而不执行负载平衡。例如，如果利用服务器唯一的IP地址和唯一的MAC地址（例如，不是VIP地址的IP地址和不是L3PF/L2S装置的MAC地址的MAC地址）将分组发往服务器，L3PF/L2S装置102可以使用层2转发操作来确定用于将分组转发到待发往的服务器的适当的转发信息。
在图1所示的实施例中，LB组1110包括连接到L3PF/L2S装置102上用于处理L2域2108的网络业务的两个服务器104。如LB组1110内所示，服务器1104具有唯一的IP v4地址192.154.234.5和MAC地址10-F3-27-51-22-7A，并且服务器2104具有唯一的IP v4地址192.154.234.12和MAC地址02-11-34-4E-4B-47。LB组2110包括连接到L3PF/L2S装置102上用于处理L2域1108的网络业务的两个服务器104。如图所示，在LB组2110中，服务器3104具有唯一的IP v4地址192.128.10.6和MAC地址00-53-23-C0-FE-FF，服务器4104具有唯一的IP v4地址192.128.10.4和MAC地址00-23-13-D0-3B-FF。
应理解的是，图1所示的IP v4地址、VLAN标识符和MAC地址表示连接信息的可能形式，并且可以使用其它形式。例如，在本文描述的无状态负载平衡中可以使用其它或额外的连接信息，例如不同IP版本（例如，IP v6）或者来自一个或多个OSI层的额外信息（例如，UDP/TCP端口号、应用层信息）。
图2为根据本文公开的主题的实施例的用于执行无状态负载平衡的示例性层3ECMP转发表和ECMP数据结构的图。根据RFC2991和2992（其全部内容以引用方式并入本文），ECMP是层3转发装置或路由器使用的利用多路由或下一跳来路由分组的路由实现。因此，ECMP路由传统上被用于利用多个等价路由将分组路由到（例如，通过域间网络）相同目的地（或目的地网络）。
根据本主题的一个方面，层2转发装置能够利用层3功能（例如，层3转发表（在本文中也称作层3转发数据库（FDB））和ECMP路由硬件）来实现层2交换操作。在一个实施例中，层2转发装置利用ECMP路由功能来实现层2域内（例如相同子网和相同VLAN内的目的地）的负载平衡。为了利用ECMP路由功能实现负载平衡，层2转发装置可以包括具有LB组信息和相关转发信息的一个或多个层3转发数据结构。
参见图2，负载平衡组和相关转发信息（例如，下一跳信息）可以存储在一个或多个路由查找表中。路由表200表示用于维持VIP地址和LB组之间的关联的数据结构（例如，转发表）。在一个实施例中，LB组指的是ECMP组。例如，负载平衡组的服务器可以是发往与负载平衡组相关的VIP地址的分组的等价下一跳。ECMP组下一跳散列表（NHHT）202表示用于维持与LB组或ECMP组的服务器相关的转发信息的数据结构（例如，利用散列值执行查找的转发表）。
将理解的是，路由表200和NHHT202是表示负载平衡和相关转发信息的多种可能方式中的一种。还将理解的是，数据结构、格式以及使用中的变型是可能的且是预期的。例如，可以使用多个路由表200，例如为每个层2域使用一个路由表200。另外，可以使用多个NHHT202表示一个或多个LB组。例如，NHHT202可以包括来自一个或多个网络、VLAN等的LB组。此外，数据结构（例如，路由表200和NHHT202）可以包括额外的信息，可以被链接或被结合（例如，在路由表200和NHHT202中的信息可以在单个数据结构中，如层3转发表或数据库），并且可以位于各个位置（例如，在L3PF/L2S装置的I/O模块处或者在单独的负载平衡（LB）模块中）。路由表200和NHHT202可以使用相同的或者单独的硬件资源，例如第一存储器和第二存储器（例如，随机存取存储器（RAM））。
在图2所示的实施例中，路由表200和NHHT202包括与层2域（例如LAN或VLAN）相关的负载平衡数据。例如，路由表200和NHHT202可以包括关于与特定VLAN相关的LB组的信息。在路由表200中，每个表条目204包括VIP地址和与VIP地址相关的LB组。例如，路由表200示出具有VIP地址值为“192.154.234.2”和ECMP组值为“LB1”的条目204。ECMP组可以与一个或多个VIP地址相关。在一个实施例中，VIP地址与单个ECMP组相关。在第二实施例中，VIP地址可以与多个ECMP组相关。例如，VIP地址可以与两个ECMP组相关。取决于额外参数（例如，起源IP地址、消息类型、有效载荷类型、接收到的端口号等），一些业务流可以由第一ECMP组处理，而其它业务流可以由第二ECMP组处理。在该示例中，L3PF/L2S装置可以利用策略用于确定在做出ECMP组确定时使用哪个额外参数。
VIP地址和/或其它参数可以用于一个或多个数据结构的查找函数中。在图2所示的实施例中，VIP地址可以用作路由表200的查找值。利用VIP地址作为路由表200的查找值，可以确定、选择或提供LB组和/或相关转发信息。例如，路由表200可以包括到额外数据或数据结构的链接（例如存储器指针或引用），例如，路由表200中的ECMP组字段可以包括到包含转发信息的一个或多个数据结构（例如，NHHT202）的引用或指针。在一个实施例中，路由表200包括指向ECMP条目（例如，NHHT条目206）的32位（/32）条目（例如，IP或VIP地址）。在第二示例中，路由表200可以包括转发信息（例如，路由表200的每个条目可以包括类似于NHHT202的下一跳信息）。在第三示例中，路由表200可以提供与其他数据结构（例如NHHT202）一起使用的信息（例如关键值）。
在图2中，NHHT202提供用于将分组转发到LB组（即，ECMP组）“LB1”的服务器的转发信息。转发信息包括用于朝向目的地（例如，服务器）转发分组的下一跳信息。在一个实施例中，转发信息可以包括目的地MAC地址和出站端口（例如，用于传输来自L3PF/L2S装置102的分组的端口）。额外的相关信息也可以被包含。例如，VIP地址、VLAN标识符、子网相关信息（例如，子网掩码）、端口列表也可以包含于NHHT202中。
为了查找，可以对NHHT202中的转发信息进行索引。例如，NHHT202的条目206可以包括用于选择下一跳信息的唯一索引值。在一个实施例中，通过比较计算出的散列值和与NHHT202中的条目206相关的索引值，L3PF/L2S装置可以选择包含转发信息（例如，下一跳信息）的条目206（在本文中也称作存储桶（bucket））。散列值可以通过将分组相关信息输入到一个或多个散列函数而产生。如在本文中使用的，散列函数指的是将多个潜在的大小可变的数据（例如，分组的一个或多个参数或者字段值）转换成较小数据集（例如，整数）的数学函数，所述数据集可以用作阵列或者其它数据结构中（例如，NHHT202）的索引。散列实现可以包括一个或多个散列函数。在一个实施例中，通过使用与分组相关的一个或多个变量的散列实现来计算散列值。变量可以包括分组中的各个字段，例如源IP地址、目的地IP地址、层3信息、层2信息、层4信息；SIP信息、层4源端口、层4目的地端口、传输控制协议（TCP）端口信息、用户数据报协议（UDP）端口信息，以及一个或多个隧道字段参数。
根据本主题的一个方面，散列值可以用于确定或选择用于接收或处理给定网络流（即，相关分组）的服务器。例如，散列函数可以利用来自分组中的源地址和目的地地址以及TCP或UDP端口信息来计算散列值。比较所述散列值与NHHT202中的索引值，可以选择包含与服务器相关的转发信息的存储桶。将理解的是，基于分组的散列函数通常应该为网络业务流中每个分组选择相同的服务器，因而将每个网络业务流提供给相同的服务器。
在图2所示的实施例中，NHHT202包括包含与负载平衡服务器相关的信息（例如，VIP地址和下一跳信息）的条目206。每个条目206具有索引值、出站端口、出站VLAN标识符、MAC地址，以及VIP地址。如NHHT202中所示出的，每个条目206具有唯一的索引值。每个条目还具有相同的VIP地址值“192.154.234.2”，表示ECMP组“LB1”中的每个服务器可以接收发往该VIP地址的分组。每个条目206还具有出站VLAN标识符值“VLAN1”，表示每个下一跳（例如，ECMP组的服务器）位于相同的VLAN中。在一个实施例中，具有相同MAC地址的条目206还将包括用于出站VLAN和出站端口的相同值。在第二实施例中，具有相同MAC地址的条目206可以具有用于出站端口或出站VLAN的各种值。例如，可以将L3PF/L2S装置配置为通过服务器的不同接口转发不同种类的业务。在一些实施例中，多个MAC地址可以使用相同的出站端口或出站VLAN。例如，服务器可以具有多个MAC地址。每个MAC地址可用于不同的接口或用于不同的业务。
NHHT202可以包括多个存储桶或条目206。在一个实施例中，一个或多个服务器可以与多个条目206相关。例如，可以对服务器加权来比LB组的其它服务器处理更多或更少部分的网络业务。这样，如果服务器将要处理较多部分的网络业务，则服务器可以与更多的存储桶（即，条目206）相关；而如果服务器将要处理较少部分的网络业务，则服务器可以与更少的存储桶相关。换句话说，NHHT202中与服务器相关的条目206越多，通常将要转发给服务器的网络业务（例如，流）也就越多。
确定与服务器相关的加权可以包括利用各种度量或变量。在一个实施例中，确定加权可以基于计算和网络度量，例如与带宽和计算资源（例如，CPU处理速度和存储器）相关的度量。加权确定可以是动态的或静态的。例如，基于CPU处理速度和安装在服务器上的总共存储器（例如，RAM）可以在初始时间确定与服务器相关的加权。在第二示例中，加权可以被周期性地确定或者随着资源的可用性改变而动态地确定（例如，如果服务器出现问题或者如果链接到服务器上的网络失灵，则可以改变加权）。由于加权可能会影响NHHT202中条目206的数量，所以与服务器相关的条目206可能改变。在一个实施例中，L3PF/L2S装置可以延迟或等待来调整服务器的加权，从而维持流的持久性（即，因为条目206和散列值关联改变，所以相关的分组不会被发送到不同的服务器）。在一个实施例中，L3PF/L2S装置可以确定是否以及何时调整加权或条目206。例如，当新服务器“在线”（即，被配置用于负载平衡）时或当服务器变得不可用时，L3PF/L2S装置可以为所有的服务器调整加权以便减少被中断的流的数量。
如可从图2看出的，NHHT202的一部分未被示出。特别地，竖直椭圆用于表示索引值范围在相邻条目206的索引值之间的条目。在NHHT202中，索引范围208可以包括在索引值为“0”的条目和索引值为“100”的条目之间的垂直椭圆。在该示例中，垂直椭圆表示99个条目，其每一个具有包含于1和99之间的唯一索引值。
每个范围208可以与下一跳或目的地（例如，服务器）相关。这样，给定索引范围208的条目206可以包括冗余（即，重复）信息。在一个实施例中，索引范围208对应于服务器加权。例如，如果NHHT202具有256个存储桶或条目206并且每个条目具有唯一的索引值（例如，在0至255之间），则包括101个条目206的范围208通常表示接收定向到给定LB组或VIP地址的网络业务的101/256或超过39%的目的地（例如，服务器），所述101个条目206中的每一个具有相同的下一跳信息和唯一的索引值（例如，包含于0至100之间）。
虽然图2中的范围208由具有如图所示相同转发信息的条目206表示，但是也可以使用其它方式表示范围208或重复转发信息或下一跳信息。在一个实施例中，L3PF/L2S装置一次（例如，在NHHT202的单个条目206中）可以存储唯一的下一跳或转发信息。与存储的转发信息相关的额外条目可以包括到所述信息的存储器指针或引用，由此允许转发装置有效地利用存储器资源并避免多次存储相同的数据。
图3为示出了与执行用于网络业务流的无状态负载平衡相关的示例性消息的消息流程图。参见图3，在消息流程图的线1中，客户端1106制定用于获悉与VIP地址（图3中用“VIP”表示）相关的MAC地址的ARP请求消息，并将该请求广播到其层2域内的节点（例如，到相同子网和VLAN内的节点）。在线2，L3PF/L2S装置102接收ARP请求。在一个实施例中，L3PF/L2S装置102被配置为用作一个或多个VIP地址的ARP代理。例如，L3PF/L2S装置102或其中的软件（例如，操作系统（OS））可以利用代理ARP来响应用于VIP地址的ARP请求。在线3，L3PF/L2S装置102用包含作为L3PF/L2S装置的MAC地址的由“X”表示的MAC地址的ARP应答来响应ARP请求，并将ARP应答发送到客户端1106。在线4，客户端1106制定发往在目的地MAC地址字段中的L3PF/L2S装置102的MAC地址的分组，并将所述分组发送到L3PF/L2S装置102。如图3所示，所述分组包括分别由“S”和“X”表示的源MAC地址和目的地MAC地址。另外，所述分组包括由“1”表示的VLAN标识符。虽然在图3中未示出，但是所述分组还可以包括额外信息，例如层3和层4信息。例如，分组可以包括具有客户端1106的IP地址（由“A.C”表示）的源IP地址字段以及具有VIP地址（由“VIP”表示）的目的地IP地址字段。
在线5，分组在L3PF/L2S装置102处被接收。L3PF/L2S装置102可以确定如何处理分组。在一个实施例中，L3PF/L2S装置102或其中的软件可以使用用于覆写或抑制分组的负载平衡的触发器或条件。例如，L3PF/L2S装置102可以使用访问控制列表（ACL）。如果相关分组中的信息与一些ACL准则（例如，TCP或UDP端口号）匹配，则L3PF/L2S装置102可以将流转发到特定服务器104或者以特定方式处理分组（例如，丢弃可疑的或未经验证的分组）。在第二示例中，如果分组未并发往VIP地址（或者如果分组未被发往L3PF/L2S装置102的MAC地址），则L3PF/L2S装置102可以抑制负载平衡分组。如果分组未被负载平衡，则L3PF/L2S装置102可以将分组转发到与L3PF/L2S装置102的转发表中的目的地地址对应的端口。
如果分组将被分组平衡（例如，分组的目的地MAC地址与L3PF/L2S装置102的MAC地址相同，或者分组的目的地IP地址是VIP地址），则L3PF/L2S装置102在执行负载分配时可以使用层3功能（例如ECMP路由表和相关硬件）或其中的一部分。在一个实施例中，ECMP路由硬件可以用于实现用于确定接收分组的服务器104的选择算法。为了确定适当的服务器104，L3PF/L2S装置102可以检查分组的VIP地址。如果发现了VIP地址，则所述VIP地址可以用于确定执行负载平衡的服务器组。例如，VIP地址可以用作包含VIP地址和ECMP组（即LB组）之间的关联的层3数据结构（例如，如图2所示的路由表200）中的查找值。
基于分组信息的散列值可以确定服务器104和用于将分组转发给服务器104的相关转发信息。在一个实施例中，散列函数（例如，ECMP散列函数或者如RFC2991中所公开的方案）可以用于计算用于相关分组的相同散列值。例如，可以通过输入分组的特定字段（例如，源地址和目的地地址）来计算散列值。散列值可以与具有转发信息的数据结构（例如，NHHT）的索引值相比较。如果找到了索引匹配（例如，散列值与和服务器1104相关的存储桶的索引匹配），则可以使用条目中的转发信息。如上所述，L3PF/L2S装置102一般应该为相关分组计算相同的散列值，由此向相同的服务器104提供网络业务流，而不需要为流存储状态信息。
在线6，L3PF/L2S装置102修改分组来包括与服务器1104相关的转发信息，并将分组转发给服务器1104。例如，L3PF/L2S装置102可以使用来自NHHT的服务器1104的转发信息。L3PF/L2S装置102可以将分组的目的地MAC地址字段替换为服务器1104的唯一MAC地址。L3PF/L2S装置102还可以将分组的源MAC地址字段替换为L3PF/L2S装置102的MAC地址。另外，可以将分组的出站VLAN字段替换为与服务器1104相关的VLAN标识符。在图3中，将理解的是，由于分组在相同的域内转发，所以将VLAN标识符替换为相同的值。
如图3所示，分组包括与服务器1104相关的目的地MAC地址（由“Y”表示）和L3PF/L2S装置102的源MAC地址（由“X”表示）。在线7，服务器1104接收分组并相应处理所述分组。在线8，服务器1104响应于接收到的分组而制定分组并将其向客户端1106传输（例如，所述分组可以经由其在服务器1104处被接收到的端口向客户端1106传输）。在一个实施例中，响应分组可以包括具有服务器1104的唯一MAC地址的源MAC地址字段。随后客户端106可以利用服务器的MAC地址将额外的相关分组（例如，在相同网络业务流中的分组）发往服务器。如果将分组发往服务器104的唯一MAC地址，则L3PF/L2S装置102可以执行直接服务器转发（例如，利用层2转发数据库而不利用负载平衡算法，将分组转发到客户端请求的服务器104）。在第二实施例中，响应分组可以在源MAC地址字段中包括L3PF/L2S装置102的MAC地址。
在图3所示的实施例中，响应分组包括分别由“Y”和“S”表示的源MAC地址和目的地MAC地址。另外，响应分组包括由“1”表示的VLAN标识符。虽然在图3中未示出，但是分组还可以包括诸如层3和层4信息的额外信息。例如，分组可以包括具有VIP地址（由“VIP”表示）的源IP地址字段和具有客户端1106的IP地址（由“A.C”表示）的目的地IP地址字段。
在线8，客户端1106制定用于获悉与服务器2104的IP地址（由“A.B”表示）相关的MAC地址的ARP请求消息，并将该请求广播到其层2域（例如，其物理LAN或VLAN）内的节点。L3PF/L2S装置102接收ARP请求并向服务器2104转发分组。虽然L3PF/L2S装置102具有执行用于层3地址（例如VIP地址）的代理ARP的功能，但是L3PF/L2S装置102可以转发未配置用于代理ARP的层3地址的ARP请求，而不发送应答。换句话说，到所有非VIP地址（例如，服务器2104的IP地址）的ARP请求可以经过层2处的L3PF/L2S装置102而转向其目的地。例如，L3PF/L2S装置102可以利用层2转发表来向目的地转发APR请求，或者如果未能获悉目的地则可以将ARP请求广播到层2域。
图4为根据本文描述的主题的实施例的适于无状态负载平衡的示例性转发装置的框图。应理解的是，虽然图4所示的层3分组转发和层2交换装置表示适于无状态负载平衡的转发装置的一个可能的实现，但是可以利用其它转发装置实现本文描述的主题。市场上可获得的适于与本文描述的主题的实施例一起使用的分组转发装置的一个示例是可从加利福尼亚，圣克拉拉的极进网络公司获得的
Figure BDA00002726651400151
X450系列交换机。
参见图4，L3PF/L2S装置102可以利用在硬件、固件和/或软件中实现的模块来执行无状态负载平衡。例如，L3PF/L2S装置102可以包括用于发送和接收分组的多个输入/输出（I/O）模块400。每个I/O模块400可以包括用于连接到外部网络的一个或多个I/O端口402。在一个实施例中，每个I/O模块400可以包括查找引擎404、端口列表（和/或下一跳）数据结构406，以及一个或多个层3转发数据库408。端口列表数据结构406包括用于向目的地转发分组的端口标识符。在一个实施例中，与负载平衡服务器相关的下一跳信息（例如，如图2的NHHT202中所示）可以与端口列表信息一起被包含。层3转发数据库408可以包括VIP地址和相关的ECMP组数据。在一个实施例中，层3转发数据库408还可以包括下一跳信息（例如，如图2的NHHT202中所示）。查找引擎404可以基于VIP地址在数据库408中执行查找来确定在下一跳数据结构406中的匹配ECMP组。
负载平衡（LB）模块410可以提供在一组服务器中对分组进行负载平衡的功能。在一个实施例中，LB模块410可以包括用于无状态负载平衡的ECMP路由模块。LB模块410可以为给定分组确定LB组（例如，ECMP组）。另外，LB模块410可以确定在LB组中哪个服务器转发分组，并确定利用相关的下一跳信息转发分组的功能。特别地，模块410可以包括用于计算在选择负载平衡网络业务流的服务器时使用的散列值的散列实现。模块410还可以包括用于以下一跳信息修改分组以及向适当服务器转发分组（例如，经由在数据结构406中所公开的出站端口）的功能。在替换实施例中，LB模块410可以包括一个或多个层3模块或组件，例如，模块410可以包括诸如查找表和数据结构（其在图4中被分别示出）的组件或模块。
虽然在图4中示出单个查找引擎404用于执行层3转发查找，但是本文描述的主题并不限于这种实现。例如，可以包括额外的表、查找引擎以及其它组件。特别地，可以呈现层2转发数据库或相关模块用于执行正常（即，非负载平衡）层2交换操作。
交换结构412在I/O模块400和交换机管理模块414之间交换分组。交换机管理模块414可以包括层3软件获悉引擎416、主层3转发数据库418、软件查找引擎420和代理ARP功能422。交换机管理模块414及其内部的组件（例如，软件获悉引擎416、主层3转发数据库418、软件查找引擎420和代理ARP功能422）可以存储在存储器424中并由CPU426执行。交换机管理模块414可以包括用于执行服务器的正常检查的软件（例如，操作系统），以及用于允许在层2经由层3模块（例如，LB模块）进行无状态负载平衡的组件和其它功能。
获悉引擎416可以包括用于与其它节点交换路由协议信息的路由协议软件。因此，获悉引擎416可以将已被获悉的条目增加到主软件FDB418。获悉引擎416或其它模块可以使用一个或多个协议（例如，互联网控制消息协议（ICMP）、ARP等），或者可以出于正常检查的目的而试图连接到服务器的应用或服务上。例如，利用诸如ICMP的控制路径协议（例如，发送ping命令），为了负载平衡的目的，L3PF/L2S装置102可以确定服务器是可用还是不可用。基于该确定，L3PF/L2S装置102可以使得服务器“在线”或“离线”。
主层3转发数据库418可以包括一份在由I/O模块400维持的基于硬件的层3转发数据库408中所有的条目，以及由利用通过软件416实现的层3路由协议获悉的任何额外条目的拷贝。软件查找引擎420可以在主层3转发数据库418中执行查找这样的分组：其由I/O模块400接收并且不能利用每个I/O模块在本地维持的层3转发数据进行转发（“慢路径”处理）。如上所述，期望的是，通过保存端口列表硬件资源406来限制查找引擎420执行的分组的“慢路径”处理的量。
代理ARP功能422可以提供以装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自客户端的ARP请求的功能，所述ARP请求包括由装置和耦合到该装置上的多个服务器所分配的虚拟IP（VIP）地址。例如，代理ARP功能422可以包括以下功能：检查VIP地址接收到的每个ARP请求，并且如果ARP请求包括VIP地址则以其自己的MAC地址（即，L3PF/L2S装置102的MAC地址）进行应答。
图5为根据本文描述的主题的实施例的用于执行网络业务流的无状态负载平衡的示例性过程的流程图。示例性过程可发生在层3分组转发和层2交换装置（例如，包括LB模块的层2交换机）处。参见图5，在步骤500处，层3分组转发和层2交换装置以该装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自于客户端的地址解析协议（ARP）请求，所述ARP请求包括由装置和耦合到该装置上的多个服务器所分配的虚拟IP（VIP）地址。例如，客户端节点可以广播用于VIP地址的ARP请求。层3分组转发和层2交换装置可以被配置为以包含其MAC地址的应答来确认用于VIP的ARP请求。
在步骤502处，层3分组转发和层2交换装置从客户端接收发往VIP地址且具有所述装置的MAC地址的分组。例如，位于一个VIP地址的相同子网内且与相同的VLAN相关的客户端节点可以构造发往所述VIP地址的分组，所述VIP地址包括作为分组的目的地MAC地址的转发装置的MAC地址。客户端节点响应于发送用于VIP地址的ARP请求而已经接收到L3PF/L2S装置的MAC地址。
在步骤504，层3分组转发和层2交换装置利用层3转发操作（其对于客户端而言表现为层2交换操作）在服务器之间负载分配分组。在一个实施例中，层3转发操作对客户端或网络而言可以表现为层2交换操作，这是因为来自客户端节点且待被负载分配的分组被转发到在相同层2域中作为客户端节点或表现为客户端节点的服务器节点。例如，被发往相同物理和/或虚拟LAN中的节点或来自所述节点（例如，在相同子网和相同VLAN内的源节点和目的地节点）的分组在网络或客户级别可能表现为层2交换的。
将理解的是，虽然在层2域内的分组输送对于客户端而言表现为层2交换操作，但是层3分组转发和层2交换装置仍可被配置为为了负载平衡的目的而使用层3转发功能。例如，层3分组转发和层2交换装置可以使用LB模块用于向与VIP地址相关的负载平衡服务器传输分组。在一个实施例中，对分组执行层2交换操作包括在一个或多个层3转发数据库中利用VIP地址执行查找，以确定用于选择下一跳信息的负载平衡组。在对分组执行了散列（例如，将一个或多个分组字段输入到散列函数中并输出散列值）之后，将散列值用于确定或选择负载平衡组中用于接收分组的服务器。可以用与所选服务器相关的下一跳信息修改分组，并且将所述分组向用于处理的目的地转发。将理解的是，相关分组（例如，在相同网络业务流内的分组）应该产生相同的散列值，并且这样所述分组应该被转发到相同的服务器。因此，可以执行向相同的服务器转发相同网络业务流的分组，而不为所述流存储状态信息，并且层3分组转发和层2交换装置可以使用层3转发功能（例如，ECMP路由模块）以用于网络业务流的无状态负载平衡。
应理解的是，在不偏离当前公开主题的范围的情况下，可改变当前公开主题的各种细节。此外，前述描述仅是用于说明的目的，而不是为了限制的目的。

Claims (28)

1.一种用于执行网络业务流的无状态负载平衡的方法，所述方法包括：
在层3分组转发和层2交换装置处：
以所述装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自客户端的地址解析协议（ARP）请求，所述ARP请求包括由所述装置和耦合到所述装置的多个服务器所分配的虚拟IP（VIP）地址；
从所述客户端接收发往所述VIP地址且具有所述装置的所述MAC地址的分组；以及
利用对所述客户端而言表现为层2交换操作的层3转发操作在所述服务器中负载分配所述分组。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，利用层3转发操作来负载分配所述分组包括：
确定对应于所述VIP地址的等价多路径（ECMP）组，并且在所述ECMP组中的服务器中负载分配所述分组。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述服务器具有不同的MAC地址。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述服务器是相同虚拟局域网（VLAN）的成员。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述服务器是不同虚拟局域网（VLAN）的成员，并且其中，所述层3分组转发和层2交换装置被配置为按每个VLAN的基础，利用用于不同VLAN的不同VIP地址来执行所述负载分配。
6.根据权利要求1所述的方法，包括向相同的服务器转发相同的网络业务流的分组，而不为所述流存储状态信息。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述层3分组转发和层2交换装置被配置为主动检查所述服务器的状态，并基于所述状态更新负载分配信息。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，发往个体服务器的分组被所述层3转发和层2交换装置转发到所述服务器，而不执行负载分配。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述层3分组转发和层2交换装置将面向网络的端口和面向服务器的端口配置到单个VLAN。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述层3分组转发和层2交换装置将面向网络的端口和面向服务器的端口配置到多个VLAN，其中，每个VLAN包括一个或多个面向网络的端口以及一个或多个面向服务器的端口。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述服务器接收与和所述服务器相关的加权对应的量的网络业务。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加权是利用一个或多个因素确定的，所述因素包括中央处理单元（CPU）资源、存储器资源以及相对于其它服务器的可用资源。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，利用层3转发操作来对所述分组进行负载分配包括：利用所述分组中的参数来访问等价多路径（ECMP）路由表以执行负载分配。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述IP分组转发装置利用访问控制列表（ACL）确定是否负载平衡网络业务流。
15.一种用于执行无状态负载平衡的层3分组转发和层2交换装置，所述装置包括：
代理地址解析协议（ARP）功能模块，用于以所述装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自客户端的ARP请求，所述ARP请求包括由所述装置和耦合到所述装置的多个服务器分配的虚拟IP（VIP）地址；以及
负载平衡模块，用于从所述客户端接收发往所述VIP地址且具有所述装置的所述MAC地址的分组，并且所述负载平衡模块用于利用对所述客户端而言表现为层2交换操作的层3转发操作在所述服务器中负载分配所述分组。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述服务器具有不同的MAC地址。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述服务器是相同虚拟局域网（VLAN）的成员。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述服务器是不同虚拟局域网（VLAN）的成员，并且其中，所述负载平衡模块被配置为按每个VLAN的基础利用用于不同VLAN的不同VIP地址来执行所述负载分配。
19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述负载平衡模块被配置为向相同的服务器转发相同的网络业务流的分组，而不为所述流存储状态信息。
20.根据权利要求15所述的装置，其中，所述装置被配置为主动检查所述服务器的状态，并基于所述状态更新负载分配信息。
21.根据权利要求15所述的装置，其中，所述装置被配置为转发发往个体服务器的分组，而不执行负载分配。
22.根据权利要求15所述的装置，其中，所述装置被配置为将面向网络的端口和面向服务器的端口分组到单个VLAN。
23.根据权利要求15所述的装置，其中，所述装置被配置为将面向网络的端口和面向服务器的端口分组到多个VLAN，其中每个VLAN包括一个或多个面向网络的端口以及一个或多个面向服务器的端口。
24.根据权利要求15所述的装置，其中，所述负载平衡模块被配置为对应于与所述服务器相关的加权而在所述服务器中间对分组进行负载分配。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述加权是利用一个或多个因素确定的，所述因素包括中央处理单元（CPU）资源、存储器资源以及相对于其它服务器的可用资源。
26.根据权利要求15所述的装置，其中，所述负载平衡模块被配置为利用所述分组中的参数来访问等价多路径（ECMP）路由表以执行负载分配。
27.根据权利要求15所述的装置，包括：
访问控制列表（ACL），用于确定是否负载平衡网络业务流。
28.一种包含计算机程序的非瞬态计算机可读介质，所述计算机程序包括计算机可执行指令，当由计算机的处理器执行所述指令时，执行包括以下的步骤：
在层3分组转发和层2交换装置处：
以所述装置的介质访问控制（MAC）地址响应来自客户端的地址解析协议（ARP）请求，所述ARP请求包括由所述装置和耦合到所述装置的多个服务器所分配的虚拟IP（VIP）地址；
从所述客户端接收发往所述VIP地址且具有所述装置的所述MAC地址的分组；以及
利用对所述客户端而言表现为层2交换操作的层3转发操作在所述服务器中对所述分组进行负载分配。
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