CN101184039B - 一种以太网负载均衡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网络自适应的以太网负载均衡方法，通过均衡算法选择主机间通讯的响应转发均衡器，在响应转发均衡器上通过检查通过的网络数据，并代替源主机做ARP请求，同时在收到对应的ARP应答后，也代替目的主机做ARP应答，将主机间通讯的网络数据都转发到选定的均衡器处理，从而获得对通过均衡器的网络数据的转发控制。本发明具备对网络的自适应能力，对原有网络拓扑和设备不需要进行改动，并有效实现以太网的负载均衡。
Description
技术领域
本发明属于计算机网络技术领域，涉及一种对以太网络流量进行自适应负载均衡的方法。
背景技术
随着互联网的不断发展，网络应用日益丰富，网络数据流量也飞速增长，而网络部署拓扑也越来越复杂，怎样在不改变现有网络环境的条件下，对流量进行有效的负载均衡，是各大网络提供商和运营商都在考虑的问题。一些厂商和团体都提出了自己的方案，但是这些方案或多或少都有对网络环境的有具体要求，只能在特定的网络条件下实施，并针对特定网络应用有效。
以下是一些现有技术的特点和存在的问题：
1.利用VRRP或HSRP实现负载均衡，依靠网络层路由技术来实现网络层的负载均衡，对于网络拓扑依赖性比较大，不支持二层交换网络；
2.利用HUB设备的数据传输广播原理，并通过均衡器实现负载均衡工作，但是由于HUB设备的广播转发导致在以太网中的频繁冲突检测，导致了网络转发效率低下；
3.使用单独的流量分发器来进行负载均衡，例如类似Linux Virtual Server，这样对网络的拓扑提出了特定的要求，而且由于缺乏扩展性，分发器本身需要承受更大的流量和处理压力；
4.利用了交换设备本身的二层负载均衡能力，例如使用Ether Channel技术均衡同一交换机两个以上端口的流量，但是这样就对交换设备的配置提出了具体要求，涉及到需要更改网络配置。
本发明可以避免对网络拓扑的依赖性，做到对网络的自适应，并有效实现以太网的负载均衡。
发明内容
本发明的目的是提供一种网络自适应的以太网负载均衡方法，其即可以独立成为专门的负载均衡器，也可以用于网络安全网关、防火墙、网络内容分析和过滤等网络系统软件中。本发明的主要特点就是，不仅可以对以太网络流量进行负载均衡，而且具备对网络的自适应能力，对原有网络拓扑和设备不需要进行改动。
本发明对于网络是即插即用的，可以在需要进行负载均衡的网络节点上部署两台以上的均衡器，常见部署方式见图1。
本发明是一种自适应的以太网负载均衡的方法，包括以下步骤：
(1)在网络节点设置若干均衡器，初始化均衡器的ARP请求记录队列；
(2)均衡器检查接收到的网络数据，分别对ARP请求、ARP响应以及其它类型数据包进行相应处理；
(3)均衡器听到ARP请求时，根据均衡器算法f，选择响应请求的均衡器；
(4)被选择上响应请求的均衡器，处理请求主机的ARP请求，将请求信息放入ARP请求记录队列，并使用均衡器自身两个端口的MAC分别转发ARP请求；
(5)目的主机接受ARP响应请求，并做出ARP应答；
(6)均衡器收到相应的ARP应答，建立网络通讯双方的IP-MAC对应表，并分别使用接收端口标记请求MAC和应答MAC的网络区域；
(7)当请求和响应MAC的网络区域不同时，均衡器使用与请求主机处于同一子网端口的MAC，替代目的主机的MAC，作为ARP应答响应请求主机；同时使用与目的主机处于同一子网端口的MAC，替代请求主机的MAC，作为ARP应答响应目的主机；
(8)删除ARP请求记录队列中对目的主机的ARP请求记录；
(9)此时，网络间通讯的数据都会转发到被选择上响应请求的均衡器处理，均衡器根据接收到数据中目的主机的IP地址，从IP-MAC对应表中获得目的主机的MAC，转发数据到最终的目的主机，实现负载均衡。
在本发明中，对于已经在均衡器中建立起IP-MAC对应关系的主机间通讯，直接使用(9)中描述机制转发网络通讯数据包到真正的目的主机。
本发明的均衡器选择只在ARP请求时进行，在经过确定后，IP-MAC对应关系建立以后的数据通讯不需要另外进行均衡器选择，减轻了均衡器处理压力。
本发明以跟踪ARP请求并在均衡器中建立主机的IP-MAC表为基础，对于未在均衡器中建立起IP-MAC对应表的非ARP请求或应答的数据通讯，均衡器以透明桥接的方式处理。
本发明的优点和积极效果如下：
1.即插即用：整个过程对于网络中主机是透明的，对网络拓扑没有任何改动和依赖。
2.可扩展：能够根据需要动态添加均衡器数量，可以支持到8台以上均衡器同时工作，使效率达到最佳。
3.可移植：本发明方法即可以独立成为专门的负载均衡器，也可以很方便移植到网络安全网关、防火墙、网络内容分析和过滤等网络系统软件中。
本发明适用于802.1q交换环境。
附图说明
图1本发明的负载均衡拓扑示意图
图2本发明的负载均衡交互流程图
图3本发明IP-MAC对应信息说明
图4本发明的系统逻辑流程图，其中，图中括号内的内容对应图2中的MSG消息
具体实施方式
以上内容在下面的具体实施部分中将进行详细的描述。参照本发明的图1和图2详细描述具体实施方法。
1.网络拓扑说明
参照图1，网络拓扑配置如下：
以下主机和网关的IP和MAC地址都为假设地址，具体设置由实际情况决定。
网关A：IP为10.0.0.1，MAC为0:0:0:0:0:1；
网关B：IP为10.0.0.2，MAC为0:0:0:0:0:2；
网关C：IP为10.0.0.3，MAC为0:0:0:0:0:3；
主机X：IP为10.0.0.11，MAC为0:0:0:0:0:11；
主机Y：IP为10.0.0.12，MAC为0:0:0:0:0:12；
主机Z：IP为10.0.0.13，MAC为0:0:0:0:0:13；
均衡器0：IP为10.0.0.20，端口0A的MAC为0:0:0:0:0:80，端口0X的MAC为0:0:0:0:0:90，0A和0X在均衡器中是桥接端口，10.0.0.20为桥上IP地址。
均衡器1：IP为10.0.0.21，端口1A的MAC为0:0:0:0:0:81，端口1X的MAC为0:0:0:0:0:91，1A和1X在均衡器中是桥接端口，10.0.0.21为桥上IP地址。
端口A，B，C，0A，1A同处一个物理广播域的交换子网L0中。
端口X，Y，Z，0X，1X同处一个物理广播域的交换子网L1中。
2.均衡器标识ID的选定
均衡器标识ID可以通过手动配置或自动协商选定。在本例中，使用手动配置指定IP为10.0.0.20的均衡器0标识ID为0，IP为10.0.0.21的均衡器1标识ID为1。
自动协商方式使用内部协议，定期同步各均衡器的最小MAC地址，按照MAC地址的大小确定均衡器标识ID，MAC最小的为0，依次加一递增。在本例子中，最小MAC地址为0:0:0:0:0:80的均衡器0标识ID为0，最小MAC地址为0:0:0:0:0:81的均衡器1标识ID为1。
均衡器标识ID的确定是在系统初始化时进行的。系统默认情况下是手动设定均衡器标识ID。
3.负载均衡处理过程(如图2所示，以主机X上的数据传输到网关A为例)
本发明需要根据均衡器中的IP-MAC对应表转发数据，对于未在均衡器IP-MAC对应表中建立起对应关系的非ARP请求或应答的数据通讯，均衡器以透明桥接的方式处理。均衡器通过跟踪主机的ARP请求来建立IP-MAC对应表，并接管以后的数据通讯。
参照处理流程图，当主机X(IP为10.0.0.11，MAC为0:0:0:0:0:11)有通信数据传送到网关A(IP为10.0.0.1，MAC为0:0:0:0:0:1)时，主机X首先会发起一个arp请求MSG_1如下：
MSG_1：0:0:0:0:0:11＞Broadcast，ethertype ARP(0x0806)，length 60：arp who-has 10.0.0.1 tell 10.0.0.11
这是一个广播请求，由于均衡器0的端口0X和均衡器1的端口1X在同一广播域交换子网L1，所以均衡器0和1都会接收到这个ARP请求。均衡器听到这个请求之后，根据一个预设算法f进行选择响应均衡器。
本发明的预设算法如下：
(src ip+dst ip)mod(均衡器总数)
对通讯数据中的请求地址和目的地址之和做均衡器总数的求余运算，获得选择的均衡器标识ID。对于MSG_1而言，选择值为：(10.0.0.11+10.0.0.1)mod 2＝0。这样从主机X到网关A的数据通讯选择了标识ID为0的均衡器0(IP为10.0.0.20)。
接下来在均衡器0上的处理，按照以下步骤进行：
1)若在均衡器0中还没有10.0.0.11的IP-MAC对应表项，则建立10.0.0.11和0:0:0:0:0:11的IP-MAC对应表项，并将此MAC标记为接收端口0X，表示其处于的子网L1的广播域。
2)如果均衡器0上还未建立起10.0.0.1的IP-MAC对应表项，则没有10.0.0.1的MAC，就使用自己的IP从端口0A(MAC为0:0:0:0:0:80)和0X(MAC为0:0:0:0:0:90)转发此ARP请求广播报文到对应的子网L0和L1：
MS_2：0:0:0:0:0:80＞Broadcast，ethertype ARP(0x0806)，length60：arp who-has 10.0.0.1 tell 10.0.0.20
MSG_3：0:0:0:0:0:90＞Broadcast，ethertype ARP(0x0806)，length60：arp who-has 10.0.0.1 tell 10.0.0.20
在此例子中，因为网关A不在均衡器0的0X端口一侧的子网中，对于MSG_3不会有响应回复，实际上网关A(10.0.0.1)会接收到ARP请求MSG_2，然后网关A会应答MSG_2，如下：
MSG_4：0:0:0:0:0:1＞0:0:0:0:0:80，ethertype ARP(0x0806)，length42：arp reply 10.0.0.1 is-at 0:0:0:0:0:1
从而均衡器0上会有10.0.0.1和0:0:0:0:0:1的IP-MAC对应表项，并将此MAC标记为接收端口0A，表示其处于的子网L0的广播域。
3)如果均衡器发现响应的目的MAC和请求MAC标记相同，处于同一子网(网络区域)，则在均衡器中删除ARP请求记录队列中相应记录信息后，不做任何处理；
4)如果均衡器发现响应的目的MAC和请求MAC处于不同子网(网络区域)，则进行代理ARP响应处理。在本例中，请求MAC标记为0X，在子网L1中，目的MAC标记为0A，在子网L0中，所以需要进行ARP响应处理：
首先，均衡器0用端口0X(MAC地址为0:0:0:0:0:90)的MAC来响应MSG_1：
MSG_5：0:0:0:0:0:90＞0:0:0:0:0:11，ethertypeARP(0x0806)，length42：arp reply 10.0.0.1 is-at 0:0:0:0:0:90
同时，均衡器0通知网关A，主机X在端口0A(MAC地址为0:0:0:0:0:80)：
MSG_6：0:0:0:0:0:80＞0:0:0:0:0:1，ethertype ARP(0x0806)，length42：arp reply 10.0.0.11 is-at 0:0:0:0:0:80
最后在均衡器中删除ARP请求记录队列中相应记录信息。
这样，主机X和网关A之间的所有后继通信，都会在均衡器0上进行，以ARP代理方式进行X和A之间包的转发。
MSG_7：0:0:0:0:0:11＞0:0:0:0:0:90，ethertype IPv4(0x0800)，length 170：10.0.0.11.4068＞10.0.0.1.ssh：...
MSG_8：0:0:0:0:0:80＞0:0:0:0:0:1，ethertype IPv4(0x0800)，length 170：10.0.0.11.4068＞10.0.0.1.ssh：...
均衡器0接收主机X的数据MSG_7，然后根据目的IP地址10.0.0.1在IP-MAC对应表中查询真正的目的MAC地址0:0:0:0:0:1，转发数据MSG_8到网关A；
MSG_9：0:0:0:0:0:1＞0:0:0:0:0:80，ethertype IPv4(0x0800)，length 170：10.0.0.1.ssh＞10.0.0.11.4068：...
MSG_10：0:0:0:0:0:90＞0:0:0:0:0:11，ethertype IPv4(0x0800)，length 170：10.0.0.1.ssh＞10.0.0.11.4068：...
网关A将返回的数据MSG_9发送给均衡器0，均衡器再次通过查询目的IP地址10.0.0.11在IP-MAC对应表中的真正目的MAC地址0:0:0:0:0:11，转发数据MSG_10到主机X。
此时主机X、网关A中各自的ARP表和均衡器0的IP-MAC对应信息见图3(a)。
类似的，基于均衡算法的分配，主机Y和网关A之间的所有通信，都会在均衡器1上进行，从而实现了二层分流。
注意在当前策略下，在主机X的ARP表中，网关A(10.0.0.1)的MAC地址为0:0:0:0:0:90(端口0X)，而在主机Y的ARP表中，网关A(10.0.0.1)的MAC地址为0:0:0:0:0:91(端口1X)。主机Y和网关A通讯时的情况见图3(b)。
对于多IP的主机的通讯情况，本发明也不会有任何影响，因为主机上目的主机的ARP表是由均衡器唯一决定的。
对于在主机上进行了ARP静态绑定的情况，主机不会进行ARP请求，并且通讯中目的MAC地址也不是均衡器，在这种情况下，均衡器按照透明桥方式处理。
4.系统工作流程说明(如图4所示)
(1)系统初始化时，首先根据手动设定或自动协商设置均衡器标识ID，然后为均衡器中的IP-MAC对应表分配内存，系统根据内存情况决定IP-MAC对应条目个数，一般取内存大小的1/256，但不小余4096条。初始化ARP请求队列，用来保存监听到的ARP请求信息。
(2)系统进入ARP跟踪状态，对于接收到的数据包，如果不是ARP请求或应答，就看是否是到均衡器的目的MAC，如果不是，则按照透明桥处理。
如果不是ARP请求或应答，但是到均衡器的目的MAC，就通过目的IP地址在IP-MAC对应表中查找是否有对应的目的，如果没有的话，就根据目的IP看是否是到均衡器的本地连接，如果是则上传本地处理，否则就不做任何处理。
如果有目的IP地址的对应MAC地址的话，就转发数据到真正的目的主机。
(3)对于ARP请求，根据均衡器算法，选择响应的均衡器，对于没选上的均衡器，就不做任何处理。
对于被选择上的均衡器，首先建立或更新请求主机的IP-MAC对应表，使用接收端口标记其网络区域。并保存对目的主机的ARP请求状态记录到ARP请求队列，同时使用自己的MAC代替请求主机转发ARP请求。
(4)如果是ARP应答，如果此时在均衡器ARP请求队列中找不到对目的IP的ARP请求状态记录，或目的MAC不是均衡器MAC，则有可能是ARP欺骗，不做处理。
反之，如果在均衡器的ARP请求队列中有对目的主机的ARP请求的状态记录，同时目的MAC是均衡器MAC时，就在均衡器中建立或更新目的主机的IP-MAC对应表，并使用接收端口标记其网络区域。
然后均衡器检查请求MAC是否和响应MAC在同一网络区域标记，只有在不同子网时，才以均衡器的MAC代替目的主机MAC，向请求主机发送ARP应答；同时也以和目的主机同一子网端口的MAC代替请求主机MAC，向目的主机发起ARP应答。最后删除ARP请求队列中对目的主机的ARP请求状态记录。
若请求MAC和响应MAC在同一网络区域标记，则只需要删除ARP请求队列中对目的主机的ARP请求状态记录。
5.关于均衡策略算法
预设算法可以是任意函数f，只需要满足
(1)参数可交换，即f(x，y)＝f(y，x)。此条件保证任两台机器间的双向流量都通过同一个均衡器。
(2)其值域在[0，k)之间，当函数f获得的结构越2均匀时，均衡器分流的能力越强。所以实际情况下，k取均衡器的总数时获得的分流能力最优。
如第二节所描述，本发明缺省使用根据请求IP和目的IP对均衡器总数求余的算法。
在无VLAN的情况下，在均衡器群两侧如果各有m和n台设备，那么负载均衡的最大分流能力为m*n。在802.1q下分流能力为各VLAN子网分流能力之和。
如果均衡器两侧都只有一台机器，那么分流能力为1，即不能进行分流。但只要有一侧设备多于一台，那么本方法就能够较好的分流。
Claims (5)
1.一种以太网负载均衡的方法，包括以下步骤：
1)在网络节点设置若干均衡器，初始化均衡器的ARP请求记录队列；
2)均衡器检查接收到的网络数据，并处理网络数据，其步骤为：
(a)均衡器听到ARP请求时，根据均衡器算法f，选择响应请求的均衡器；
(b)被选择上响应请求的均衡器，处理请求主机的ARP请求，将请求信息放入ARP请求记录队列，并使用均衡器自身两个端口的MAC分别转发ARP请求；
(c)目的主机接受ARP请求，并做出ARP应答；
(d)均衡器收到相应的ARP应答，建立网络通讯双方的IP-MAC对应表，并分别使用自身两个端口标记请求MAC和应答MAC的网络区域；
(e)当请求和应答MAC的网络区域不同时，均衡器使用与请求主机处于同一子网端口的MAC，替代目的主机的MAC，作为ARP应答响应请求主机；同时使用与目的主机处于同一子网端口的MAC，替代请求主机的MAC，作为ARP应答响应目的主机；
(f)删除ARP请求记录队列中对目的主机的ARP请求记录；
3)此时，网络间通讯的数据都会转发到被选择上响应请求的均衡器处理，均衡器根据接收到数据中目的主机的IP地址，从IP-MAC对应表中获得目的主机的MAC，转发数据到最终的目的主机，实现负载均衡。
2.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于步骤1)中的均衡器上设置有标识ID，通过手动配置或自动协商选定。
3.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于步骤2)中的均衡器算法f满足以下条件：
(1)参数可交换，即f(x，y)＝f(y，x)；
(2)其值域在[0，k)之间，k为均衡器的总数。
4.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于步骤2)中所述的对请求主机的ARP请求的处理方法为：
a若在均衡器中没有请求主机IP的IP-MAC对应表项，则建立请求主机的IP-MAC对应表项；
b若均衡器没有目的主机IP的IP-MAC对应表项，则以均衡器的MAC代替请
求主机转发ARP请求。
5.如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所述步骤2)中做出的ARP应答中，在均衡器ARP请求队列中找不到对目的IP的ARP请求状态记录，或目的MAC不是均衡器MAC，则识别是ARP欺骗，不做处理。
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