CN101404621B - 实现vrrp负载均衡的方法和路由设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现虚拟路由器冗余协议(VRRP)负载均衡的方法和路由设备，其中，该虚拟路由器包含多个路由设备，同一网段各客户端的缺省网关IP地址配置为该虚拟路由器的虚IP地址，方法包括：虚拟路由器中选举出的主用路由设备为自身分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为其他路由设备分配不同的虚MAC地址，并通过地址应答报文发送给其他路由设备；接收到来自客户端的地址解析请求后，按照负载均衡策略，将分配给该虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中回复给该客户端。从而简化VRRP的配置和实现动态的VRRP负载均衡。

Description

实现VRRP负载均衡的方法和路由设备

技术领域

本发明涉及网络通信技术，特别涉及一种实现虚拟路由器冗余协议(VRRP，Virtual Router Redundancy Protocol)负载均衡的方法和路由设备。

背景技术

在实现客户端与外部网络通信时，通常为同一网段内的所有客户端设置同一缺省网关，即配置以同一网关为下一跳的缺省路由，客户端发往其他网段的报文将通过该缺省路由发往下一跳的网关，再由网关进行转发，然而当网关出现故障时，本网段内所有以该网关为缺省路由的客户端将无法与外部网络进行通信。缺省路由虽然为用户的配置操作提供了方便，但是对网关提出了很高的稳定性要求，增加出口网关是提高系统可靠性的常见方法，此时，如何在多个出口之间进行选路就成为需要解决的问题。

逐渐发展起来的VRRP是用于解决多个出口之间如何进行选路的容错协议，其在提高可靠性的同时，简化了客户端的配置。标准的VRRP是将多个具有网关功能的路由设备组成一台虚拟路由器，该虚拟路由器中的多个路由设备按照VRRP的选举机制选举出一个作为主用(master)路由设备负责流量转发，其他作为备用(backup)路由设备负责对master路由设备进行监听，在监听到master路由设备出现故障时，重新选举master路由设备。虽然这种方式提高了系统可靠性，但是，虚拟路由器中的多个路由设备只有主路由设备负责流量转发，显然在路由设备资源和网络带宽上都存在浪费。

为了解决上述资源和带宽浪费的问题，现有技术提供了一种实现VRRP负载均衡的方法，即利用多个路由设备创建多个虚拟路由器，每个虚拟路由器中具有一个master路由设备和至少一个backup路由设备。其中，一个路由设备可能在一个虚拟路由器中做master路由设备，也可能在另一个虚拟路由器中做backup路由设备。可以预先为各客户端按照负载均衡策略配置不同的虚拟路由器的虚IP地址作为缺省网关IP地址，各客户端按照配置的虚拟IP地址发送地址解析协议(ARP)请求，与该客户端对应的虚拟路由器中的master路由设备将自身的MAC地址携带在ARP应答中回复给该客户端，该客户端利用ARP应答中携带的MAC地址创建ARP表项，并利用该ARP表项发送报文，即各客户端的报文通过配置给该客户端的虚拟路由器中的master路由设备进行转发。

如图1所示，假设存在路由设备A、路由设备B和路由设备C，利用该三个路由设备构建三个虚拟路由器，即以路由设备A作为master路由设备、路由设备B和路由设备C作为backup路由设备的虚拟路由器1，以路由设备B作为master路由设备、路由设备A和路由设备C作为backup路由设备的虚拟路由器2，以及以路由设备C作为master路由设备、路由设备A和路由设备B作为backup路由设备的虚拟路由器3。预先配置客户端A、客户端B和客户端C的缺省网关分别为虚拟路由器1、虚拟路由器2和虚拟路由器3，客户端A按照虚拟路由器1的虚IP地址发送ARP请求，虚拟路由器1中的master路由设备即路由设备A将自身的MAC地址回复给客户端A，客户端A利用路由设备A的MAC地址创建ARP表项，客户端A的报文就通过路由设备A进行转发；客户端B和客户端C通过类似的方式分别通过路由设备B和路由设备C转发报文，这样就可以实现报文流量在路由设备A、路由设备B和路由设备C之间的负载均衡。

但是，现有技术中实现VRRP负载均衡的方式需要利用多个路由设备配置不同的虚拟路由器并为各虚拟路由器配置不同的虚IP地址，并且为各客户端配置不同的虚拟路由器作为缺省网关，显然在存在大量客户端的情况下配置十分复杂。并且，由于上述负载均衡方式是基于预先的静态配置的，因此，无法实现动态的负载均衡。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实现VRRP负载均衡的方法和路由设备，以便于简化配置和实现动态的负载均衡。

一种实现VRRP负载均衡的方法，该虚拟路由器包含多个路由设备，同一网段各客户端的缺省网关IP地址配置为该虚拟路由器的虚IP地址；该方法包括：

虚拟路由器中选举出的主用路由设备为自身分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为所述其他路由设备分配不同的虚MAC地址，并通过地址应答报文发送给所述其他路由设备；

所述主用路由设备接收到来自客户端的地址解析请求后，按照负载均衡策略，将分配给所述虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中回复给所述客户端，以供所述客户端利用接收到的虚MAC地址进行报文的发送；

其中，所述虚拟路由器中的路由设备被分配了虚MAC地址后，开始使用该虚MAC地址；所述使用该虚MAC地址具体为：承担目的MAC地址为该虚MAC地址的报文发送，且在该路由器处于正常状态时，在所述虚拟路由器中周期性地发送包含该路由设备所使用虚MAC地址的通告报文；

所述虚拟路由器中的路由设备接收到包含虚MAC地址的通告报文后，对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听，如果间隔设定时长没有接收到包含该虚MAC地址的通告报文，则接管使用该虚MAC地址。

一种路由设备，多个该路由设备用于构成一个虚拟路由器，且该虚拟路由器的虚IP地址配置为同一网段各客户端的缺省网关IP地址；该路由设备包括：角色选举单元、请求接收单元、应答发送单元、地址使用单元和地址监听单元以及地址分配单元和地址获取单元；

所述角色选举单元，用于选举虚拟路由器中的主用路由设备；

所述地址分配单元，用于在所述角色选举单元选举出的主用路由设备为该路由设备时，为该路由设备分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为所述其他路由设备分配不同的虚MAC地址，并通过地址应答报文发送给所述其他路由设备；

所述地址获取单元，用于在所述角色选举单元选举出的主用路由设备不是该路由设备时，向主用路由设备发送虚MAC分配请求报文；接收主用路由设备发送的包含分配给该路由设备的虚MAC分配应答报文；

所述请求接收单元，用于在所述角色选举单元选举出的主用路由设备为该路由设备时，接收来自客户端的地址解析请求；

所述应答发送单元，用于在所述请求接收单元接收到所述地址解析请求后，按照负载均衡策略，将分配给所述虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中回复给所述客户端，以供所述客户端利用接收到的虚MAC地址进行报文的发送；

所述地址使用单元，用于在该路由设备被分配了虚MAC地址后，开始使用该虚MAC地址；接收到所述地址监听单元发送的接管通知后，使用该接管通知中包含的虚MAC地址；其中，使用虚MAC地址具体为：承担目的MAC地址为该虚MAC地址的报文转发，且在该路由设备处于正常状态时，在所述虚拟路由器中周期性地发送包含该路由设备所使用虚MAC地址的通告报文；

所述地址监听单元，用于接收到其他路由设备发送的携带虚MAC地址的通告报文后，对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听，如果间隔设定时长没有接收到包含该虚MAC地址的通告报文，则向所述地址使用单元发送包含该虚MAC的接管通知。

由以上技术方案可以看出，在本发明提供的方法和路由设备中，该虚拟路由器包含多个路由设备，只需要在同一网段的各客户端配置同一虚IP地址作为缺省网关IP地址，即为各客户端配置同一个虚拟路由器，而不需要针对不同的客户端配置不同的虚拟路由器；并且，将多个路由设备配置为同一个虚拟路由器即可，而不需要将多个路由设备配置为多个虚拟路由器且同一个路由设备在不同虚拟路由器中的角色也不相同，显然简化了实现VRRP负载均衡的配置工作。另外，本发明在多个路由设备构成的一个虚拟路由器中，由选举出的主用路由设备通过与各路由设备之间的报文交互为虚拟路由器中的各路由设备分配虚MAC地址，并按照负载均衡策略将分配给各路由设备的虚MAC地址回复给客户端，而不是通过将客户端固定分配给不同的虚拟路由器来实现负载均衡，显然，本发明能够根据各路由设备实际的负载状况实现动态的负载均衡，且不会导致客户端数目变化所引起的路由设备负载不均衡的问题。

附图说明

图1为现有技术中实现VRRP负载均衡的示意图；

图2为本发明实施例提供的实现VRRP负载均衡的网络架构图；

图3为本发明实施例提供的虚MAC地址的接管使用示意图；

图4为本发明实施例提供的VRRP标准协议报文格式；

图5为本发明实施例提供的通告报文所使用的Option字段格式；

图6为本发明实施例提供的路由设备的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明提供的方法涉及的虚拟路由器包含多个路由设备，将该虚拟路由器的虚IP地址配置为所有客户端的缺省网关IP地址；该方法主要包括：虚拟路由器中选举出的master路由设备为自身分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为其他路由设备分配不同的虚MAC地址，并通过地址应答报文发送给其他路由设备；接收到来自客户端的地址解析请求后，按照负载均衡策略，将分配给该虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址包含在地址解析应答中回复给该客户端，以供该客户端利用接收到的虚MAC地址进行报文的发送。

其中，在IPv4中地址解析请求可以是ARP请求，地址解析应答可以是ARP应答，客户端利用接收到的虚MAC构建ARP表项后，利用该ARP表项进行报文的发送；在IPv6中地址解析请求可以是邻居发现(ND，NeighborDiscovery)请求，地址解析应答可以是ND应答，客户端利用接收到的虚MAC构建ND表项后，利用该ND表项进行报文的发送。在以下描述中以IPv4为例。

下面结合具体实施例对上述方法进行详细描述。以图2所示网络架构为例，客户端A、客户端B和客户端C为同一网段的三个客户端，路由设备A、路由设备B和路由设备C是出口的三个路由器，本发明实施例中，将路由设备A、路由设备B和路由设备C仅构成一个虚拟路由器，为该虚拟路由器配置一个虚IP地址，并且，同一网段的所有客户端可以采用相同的配置即将该虚拟IP地址配置为所有客户端的缺省网关IP地址，也就是说，客户端A、客户端B和客户端C都向同一个虚拟路由器发送ARP请求。

在该虚拟路由器中需要选举一个master路由设备，具体的选举方式可以为：选举任意一个运行正常的路由设备作为master路由设备，或者选举性能最高的作为master路由器，或者按照VRRP协议中已定义的路由设备的VRRP优先级进行选举等。该选举发生的状况主要有两种，一种是虚拟路由器刚构建时，另一种是master路由设备发生故障时，其他作为backup的路由设备需要重新选举出一个运行正常的路由设备作为master路由设备。

该master路由器负责处理各客户端发送来的ARP请求，按照负载均衡策略将虚拟路由器中其中一个路由设备的虚MAC地址携带在ARP应答中回复给相应的客户端。也就是说，该虚拟路由器中的各路由设备都进行报文转发工作，分担来自不同客户端的报文流量。各路由设备为了要实现对客户端报文的转发，其上需要配置MAC地址，这里虚拟路由器中路由设备的MAC地址为虚MAC地址。下面将介绍有关虚MAC地址的分配。

各路由设备的虚MAC地址是动态分配的，master路由设备负责分配该虚拟路由器中所有路由设备的虚MAC地址。路由设备一旦转换成为master设备，如果自身尚没有被分配虚MAC地址，则在预先设置的虚MAC地址范围内分配一个尚未使用的虚MAC地址给自身；另外，backup路由设备如果没有被分配虚MAC地址，则会向master路由设备发送地址请求(request)报文，master路由设备接收到该request报文后，从预先设置的虚MAC地址范围内分配一个尚未使用的虚MAC地址给该backup路由设备，该分配的虚MAC地址通过携带在地址应答(Reply)报文发送中发送给backup路由设备。

其中，request报文丢失或者master路由设备没有及时处理request报文都有可能使得某些backup路由设备获取不到虚MAC地址，为了保证backup路由设备能够获取到虚MAC地址，backup路由设备在发送request报文后，会启动申请定时器(Request Timer)用于循环发送request报文直至收到分配的虚MAC地址。

另外，master路由设备在为各路由设备分配了虚MAC地址后，可以启动分配状态检查定时器(Offer Timer)，如果Offer Timer达到设定时长仍没有接收到携带该虚MAC地址的通告报文，则将该虚MAC地址标识为未分配，可以继续用于分配给其他路由设备。关于通告报文在下文中将会有进一步的描述。

master路由设备在对各路由设备分配虚MAC地址时，可以为每个路由设备仅分配一个虚MAC地址，这种情况下，master路由设备进行虚MAC地址的分配后，会记录分配的虚MAC地址和路由设备的对应关系，当多次接收到该路由设备的request报文时，会将同一个虚MAC地址分配给该backup路由设备。

master路由设备也可以根据各路由设备的报文转发能力，为各路由设备分配一个或多个虚MAC地址。该报文转发能力可以根据该路由设备的权重值来表征，简单地，可以根据每个路由设备的实际情况给它配置一个权重值，当然权重值还可能根据网络的情况动态进行调整。处于不同范围内的权重值对应不同数量的虚MAC地址，从而实现报文转发能力强的分配数目较多的虚MAC地址，报文转发能力弱的分配数据较少的虚MAC地址。

Master路由设备所依据的负载均衡策略可以采用多种方式，在此举以下几种例子：1)采用轮询负载均衡策略，即按照固定的顺序依次将各路由设备的虚MAC地址携带在ARP响应中进行回复。尤其是上述按照权重值给不同的路由设备分配不同个数的虚MAC地址后，只要简单的顺序将这些分配出去的MAC地址依次回复给发送地址请求的客户端即可。这样很方便的就实现了负载均衡。2)采用加权负载均衡策略，即将各设备的报文转发能力和/或当前负载状况作为加权因素，来选择虚MAC地址携带在ARP响应中进行回复。3)采用基于客户端的负载均衡策略，即在以上两种方式的基础上，尽量保证为同一客户端回复同一虚MAC地址，即记录为客户端回复的虚MAC地址，如果接收到某客户端的ARP请求后，查找是否保存了该客户端对应的虚MAC地址的记录，如果是，则将记录的虚MAC地址携带在ARP响应中进行回复；否则，可以采用1)或2)的方式选择一个虚MAC地址携带在ARP响应中进行回复。以上仅是本发明所举的几个例子，并不限于以上三种策略。

假设图2所示架构中，选举路由设备B为master路由设备，路由设备B为自身分配虚拟MAC地址为MAC 2，作为backup的路由设备A和路由设备C向路由设备B发送request报文，路由设备B分别为路由设备A和路由设备C分配尚未使用的虚MAC地址MAC 1和MAC 3。对于客户端A、客户端B和客户端C发送来的ARP请求，作为master路由设备的路由设备B按照负载均衡策略分别向客户端A、客户端B和客户端C回复携带MAC 1、MAC 2和MAC 3的ARP响应(如图2中虚线箭头所示)。客户端A利用MAC 1建立ARP表项，客户端B利用MAC 2建立ARP表项，客户端C利用MAC 3建立ARP表项，就实现了客户端A的报文由路由设备A进行转发，客户端B的报文由路由设备B进行转发，客户端C的报文由路由设备C进行转发(如图2中实线箭头所示)，从而实现了虚拟路由器中报文流量的分担。

在被分配了虚拟MAC地址之后，各路由设备就开始使用该虚MAC地址承担起目的MAC地址为该虚MAC地址的报文的转发。为了保证该虚MAC地址的使用和防止路由设备故障后，利用该虚MAC地址发送报文的客户端无法与外部网络通信，各路由设备可以在正常状态时，在该虚拟路由器中周期性地发送包含其所分配到的虚MAC地址的通告报文，以说明其转发性能正常。其它路由设备在接收到该通告报文后，启动活跃(Active)定时器对该路由设备周期性发送的通告报文进行监听，当间隔设定时长没有接收到该通告报文，则确定该虚MAC地址原来分配给的路由设备出现故障。由于其他各个路由设备的间隔设定时长不一定一致，所以先到达设定时长的路由设备将会接管使用该虚MAC地址，即接管该虚MAC地址的转发工作，并周期性地发送包含其所接管使用的虚MAC地址的通告报文。

这里Active定时器的设定时长(Active_Time)可以根据通告报文的发送周期(Hello_Time)、虚MAC地址的接管延迟时长(Delay_Time)以及修正时长(Skew_Time)来确定。例如，可以设定Active_Time＝3×Hello_Time+Delay_Time+Skew_Time，或者，Active_Time＝Delay_Time+Skew_Time等。其中的Skew_Time可以为：

其中，P为该路由设备的竞争优先级，P_max为竞争优先级最大值。竞争优先级的含义将在以下做具体描述。这里，接管延迟时长是预先配置的一个延迟时间，以便在接管该虚MAC之前路由设备能够进行诸如路由学习等的其他处理操作，其设置时间可以根据具体应用需求确定。从上面的公式我们可以看出，各个路由设备的Active Time不一定一致，所以可能会出现一个路由设备来接管使用该虚MAC地址。

除了上面描述的情况，也有可能会出现多个路由设备都接管使用该虚MAC地址的情况，此时，接管该虚MAC地址的多个路由设备都会发送包含该虚MAC地址的通告报文，这就需要在多个路由设备中竞争出一个路由设备来接管使用该虚MAC地址的转发工作。可以为各路由设备配置竞争优先级，在发送通告报文时，该通告报文中还可以包含自身的竞争优先级，当监听到其他路由设备也发送了包含该虚MAC地址的通告报文时，如果自身的竞争优先级比通告报文中包含的竞争优先级低，则退出该虚MAC地址的接管使用；如果自身的竞争优先级比通告报文中包含的竞争优先级高，则保持该虚MAC地址的接管使用。最终便可以竞争出竞争优先级最高的路由设备来接管该虚MAC地址的报文转发工作。

路由设备的竞争优先级可以根据该路由设备的报文转发能力和当前使用的虚MAC地址数目来确定。报文转发能力越强竞争优先级越高，当前使用的虚MAC地址越多，竞争优先级越低。可以具体采用以下方式确定竞争优先级：如果该路由设备是被master路由设备所分配的该虚MAC地址的使用者，则在该路由设备的报文转发能力大于设定的转发能力阈值的情况下，将该路由设备的竞争优先级设置为最大值，在该路由设备的报文转发能力小于设定的转发能力阈值的情况下，将该路由设备的竞争优先级设置为最小值；如果该路由设备不是被master路由设备所分配的该虚MAC地址的使用者，而是该虚MAC地址的接管使用者，则可以设置该路由设备的竞争优先级P为：P＝W_max/(C+1)，其中，W_max为该路由设备的转发能力量化值，C为当前所使用的虚MAC地址数量。

由于将被master路由设备所分配的该虚MAC地址的使用者设置为竞争优先级最高，因此，当故障恢复后，该路由设备能够将原来所使用的虚MAC地址抢占回来。原因为：该路由设备故障恢复后，会发送包含其使用的虚MAC地址的通告报文，而接管使用该虚MAC地址的路由设备也会发送包含该虚MAC地址的通告报文，由于该虚MAC地址的原有使用者竞争优先级最高，因此会将该虚MAC地址抢占回来，而接管使用该虚MAC地址的路由设备会退出该虚MAC地址的接管使用。

假设图2所示架构中路由设备A发生故障，则路由设备B和路由设备C间隔设定时间没有接收到路由设备A的通告报文，则路由设备B和路由设备C会接管使用MAC 1，并发送包含MAC 1和自身竞争优先级的通告报文，假设路由设备C的竞争优先级较大，则路由设备C保留接管使用该MAC1，而路由设备B则退出该MAC 1的接管使用，最终的报文转发如图3所示。由路由设备C负责客户端1和客户端3的报文转发工作，即接替了路由设备A的报文转发工作。

另外，所有路由设备都会对接收到的通告报文中的虚MAC地址和使用该虚MAC地址的路由设备进行记录，使得master路由设备发生故障后，按照现有技术选举出的新master路由设备中具有已分配的虚MAC地址和使用该虚MAC地址的路由设备的记录，能够继续承担虚MAC地址的分配工作和ARP请求的应答工作。

当竞争优先级最高的路由设备成功接管了虚MAC地址后，可以启动重定向(Redirect)定时器和生存(Time-out)定时器。当Redirect定时器超时后，接管虚MAC地址的该路由设备通知master路由设备该接管的虚MAC地址不再作为ARP响应报文的携带内容，这是为了防止该虚MAC地址的原使用者长时间不能恢复正常而将原使用者所有的客户端都转移到接管的路由设备，造成长时间无法及时负载均衡。当Time-out定时器超时后，接管该虚MAC地址的路由设备在该虚拟路由器中发送包含接管的虚MAC地址的释放报文以通告该虚MAC地址不再使用，其他路由设备接收到该释放报文后，停止对该虚MAC地址的通告报文进行监听。且master路由设备接收到包含该虚MAC地址的释放报文后，可以将该虚MAC地址标识为未分配，继续按照负载均衡策略分配给其他路由设备。其中，为了保证学习到该虚MAC地址的客户端后续的报文能够正常转发，需要设置Time-out的定时时长大于Redirect定时器，且Time-out的定时时长大于或等于ARP表项的老化时间。

仍以上述例子进行说明，路由设备C在接管使用了MAC 1后，启动Redirect定时器和Time-out定时器。当Redirect定时器超时后，通知master路由器该MAC 1不再作为ARP响应报文的携带内容。当Time-out定时器超时后，路由设备C在该虚拟路由器中发送包含MAC 1的释放报文以通告MAC 1不再使用，其他路由设备接收到该释放报文后，停止对MAC 1的通告报文进行监听。且master路由设备接收到包含MAC 1的释放报文后，可以将该MAC 1标识为未分配，继续按照负载均衡策略分配给其他路由设备。

上述方法中所涉及的通告报文、Request报文、Reply报文和释放报文可以采用扩展VRRP标准协议报文的形式，增加选项(Option)字段以实现功能扩充；也可以通过重新定义新的协议报文的方式来实现，例如在用户数据报协议(UDP)之上封装成上述报文。

下面以扩展VRRP标准协议报文为例进行简单描述，VRRP标准协议报文可以如图4所示，其中的固定报文头中，报文类型可以用来标识该报文具体是通告报文、Request报文、Reply报文或者释放报文；且该虚拟路由器中的各虚IP地址都相同，即该虚拟路由器采用同一个虚IP地址。根据具体报文的不同，该报文中的选项字段内容不同，例如，当该报文是通告报文时，其中需要包含路由设备自身所使用的虚MAC地址和自身的竞争优先级信息，其采用的扩展Option字段格式可以如图5所示。如果该路由设备使用多个虚MAC地址，则可以包含多个图5所示的Option字段，如果该路由设备是该虚MAC地址的接管使用者，则该Option字段中的重定向定时器时长字段可以携带接管使用该虚MAC地址时启动的Redirect定时器时长，生存定时器时长字段可以携带接管使用该虚MAC地址时启动的Time-out定时器时长。

以上是对本发明所提供的方法进行的详细描述，下面对本发明所提供的路由设备进行详细描述。图6为本发明实施例提供的路由设备的结构图，多个该路由设备可以用于构成一个虚拟路由器，且该虚拟路由器的虚IP地址配置为同一网段各客户端的缺省网关IP地址。如图6所示，该路由设备可以包括：角色选举单元601、请求接收单元602和应答发送单元603，还包括：地址分配单元604或地址获取单元605。

角色选举单元601，用于选举虚拟路由器中的master路由设备。

具体的选举方式可以为：选举任意一个运行正常的路由设备作为master路由设备，或者选举性能最高的作为master路由器，或者按照VRRP协议中已定义的路由设备的VRRP优先级进行选举等。该选举发生的状况主要有两种，一种是虚拟路由器刚构建时，另一种是master路由设备发生故障时，其他作为backup的路由设备需要重新选举出一个运行正常的路由设备作为master路由设备。

地址分配单元604，用于在角色选举单元601选举出的主用路由设备为该路由设备时，为该路由设备分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为所述其他路由设备分配不同的虚MAC地址，并通过地址应答报文发送给所述其他路由设备。

地址获取单元605，用于在角色选举单元601选举出的主用路由设备不是该路由设备时，向主用路由设备发送虚MAC分配请求报文；接收主用路由设备发送的包含分配给该路由设备的虚MAC分配应答报文。

请求接收单元602，用于在角色选举单元601选举出的master路由设备为该路由设备时，接收来自客户端的地址解析请求。

由于本发明是将虚拟路由器的虚IP地址配置为各客户端的缺省网关IP地址，因此，各客户端在进行报文转发之前，需要进行缺省网关MAC地址的学习，即向虚拟路由器发送地址解析请求，虚拟路由器中的master路由设备负责所有地址解析请求的代答。

应答发送单元603，用于在请求接收单元602接收到地址解析请求后，按照负载均衡策略，将分配给虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中回复给客户端，以供客户端利用接收到的虚MAC地址进行报文的发送。

上述地址解析请求可以为IPv4中的ARP请求，相应地，地址解析应答为ARP应答；也可以是IPv6中的ND请求，相应地，地址解析应答为ND应答。

为各路由设备分配的虚MAC地址可以是由该虚拟路由器中的master路由设备动态分配的，具体为：地址分配单元604在角色选举单元601选举出的master路由设备为该路由设备时，如果该路由设备尚没有虚MAC地址，则从预先设置的虚MAC地址范围内分配一个尚未分配的虚MAC地址给该路由设备，在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，从虚MAC地址范围内分配一个尚未分配的虚MAC地址给其他路由设备；或者如果该路由设备尚没有虚MAC地址，则按照预设的报文转发能力与虚MAC地址数目的对应关系，从尚未分配的虚MAC地址中分配与该路由设备的报文转发能力对应数目的虚MAC地址给该路由设备，在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，按照预设的报文转发能力与虚MAC地址数目的对应关系，从尚未分配的虚MAC地址中分配与发送虚MAC分配请求报文的路由设备的报文转发能力对应数目的虚MAC地址，并将分配的虚MAC地址携带在虚MAC分配应答报文中回复给发送虚MAC分配请求报文的路由设备。

另外，为了保证路由设备能够被分配虚MAC地址，地址获取单元605，还可以用于在该路由设备尚没有虚MAC地址时，循环发送虚MAC分配请求报文，直至接收到虚MAC分配应答报文。

相应地，地址分配单元604，还可以用于分配虚MAC地址给其他路由设备后，记录分配的虚MAC地址和该其他路由设备的对应关系，当多次接收到该其他路由设备的虚MAC分配请求报文时，仍将该发送虚MAC分配请求报文的路由设备对应的虚MAC地址分配给该发送虚MAC分配请求报文的路由设备。

另外，该路由设备还可以包括：地址使用单元606和地址监听单元607。

地址使用单元606，用于在该路由设备被分配了虚MAC地址后，开始使用该虚MAC地址；接收到地址监听单元607发送的接管通知后，使用该接管通知中包含的虚MAC地址。

其中，使用虚MAC地址具体为：承担目的MAC地址为该虚MAC地址的报文转发，且在该路由设备处于正常状态时，在虚拟路由器中周期性地发送包含该路由设备所使用虚MAC地址的通告报文。

地址监听单元607，用于接收到其他路由设备发送的携带虚MAC地址的通告报文后，对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听，如果间隔设定时长没有接收到包含该虚MAC地址的通告报文，则向地址使用单元606发送包含该虚MAC的接管通知。

地址监听单元607如果间隔设定时长没有接收到包含该虚MAC地址的通告报文，则确定该虚MAC地址被分配的原使用者发生故障，则最先确定该虚MAC地址被分配的原使用者发生故障的路由设备接管使用该虚MAC地址。

为了防止多个路由设备同时对同一虚MAC地址进行接管使用，更优地，地址使用单元606除了在通告报文中包含该路由设备所使用虚MAC地址之外，还用于在通告报文中携带该路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级。

此时，该路由设备还可以包括：优先级比较单元608，用于在地址监听单元607接收到的通告报文中所包含的虚MAC地址与地址使用单元606所使用的虚MAC地址相同时，判断该路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级是否大于通告报文中包含的竞争优先级，如果是，则控制地址使用单元606保持对该虚MAC地址的使用，否则，控制地址使用单元606退出该虚MAC地址的使用。

更进一步地，为了防止发生故障的路由设备长时间不能恢复正常，而将故障的路由设备对应地所有客户端都转移到接管的路由设备上，并且将新分配了故障路由设备所使用的虚MAC地址的客户端定向到该路由设备上，从而造成接管该虚MAC的路由设备长时间负担过重，因此，可以在该路由设备中设置重定向定时器609、生存定时器610和到时通知单元611。

重定向定时器609和生存定时器610，用于在地址使用单元606接收到接管通知后启动。

到时通知单元611，用于在重定向定时器609超时后，通知master路由设备的应答发送单元不再将该虚MAC地址携带在地址解析响应中；在生存定时器610超时后，在虚拟路由器中发送包含该虚MAC地址的释放报文以通告该虚MAC地址不再使用。

地址监听单元607，还用于接收其他路由设备发送的包含虚MAC地址的释放报文，并停止对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听。

另外，master路由设备接收到包含该虚MAC地址的释放报文后，可以将该MAC地址标识为未分配，该虚MAC地址可以继续参与按照负载均衡策略进行的地址解析应答的回复。

更优地，该路由设备还可以包括：分配状态检查定时器612，用于在地址分配单元604将分配的虚MAC地址携带在虚MAC分配应答报文中回复给发送虚MAC分配请求报文的路由设备之后开始计时；

地址监听单元607还可以用于在该路由设备为主用路由设备时，如果分配状态检查定时器612达到设定时长仍没有监听到包含该分配的虚MAC地址的通告报文，则通知地址分配单元604将该虚MAC地址标识为未分配。

由以上描述可以看出，在本发明提供的方法和路由设备中，该虚拟路由器包含多个路由设备，只需要在同一网段的各客户端配置同一虚IP地址作为缺省网关IP地址，即为各客户端配置同一个虚拟路由器，而不需要针对不同的客户端配置不同的虚拟路由器；并且，将多个路由设备配置为同一个虚拟路由器即可，而不需要将多个路由设备配置为多个虚拟路由器且同一个路由设备在不同虚拟路由器中的角色也不相同，显然简化了实现VRRP负载均衡的配置工作。另外，本发明在多个路由设备构成的一个虚拟路由器中，由选举出的master路由设备通过与各路由设备之间的报文交互为虚拟路由器中的各路由设备分配虚MAC地址，并按照负载均衡策略将分配给各路由设备的虚MAC地址回复给客户端，而不是通过将客户端固定分配给不同的虚拟路由器来实现负载均衡，显然，本发明能够根据各路由设备实际的负载状况实现动态的负载均衡，且不会导致客户端数目变化所引起的路由设备负载不均衡的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种实现虚拟路由器负载均衡的方法，其特征在于，该虚拟路由器包含多个路由设备，同一网段各客户端的缺省网关IP地址配置为该虚拟路由器的虚IP地址；该方法包括：

虚拟路由器中选举出的主用路由设备为自身分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为所述其他路由设备分配不同的虚MAC地址，并通过地址应答报文发送给所述其他路由设备；

所述主用路由设备接收到来自客户端的地址解析请求后，按照负载均衡策略，将分配给所述虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中回复给所述客户端，以供所述客户端利用接收到的虚MAC地址进行报文的发送；

其中，所述虚拟路由器中的路由设备被分配了虚MAC地址后，开始使用该虚MAC地址；所述使用该虚MAC地址具体为：承担目的MAC地址为该虚MAC地址的报文发送，且在该路由器处于正常状态时，在所述虚拟路由器中周期性地发送包含该路由设备所使用虚MAC地址的通告报文；

所述虚拟路由器中的路由设备接收到包含虚MAC地址的通告报文后，对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听，如果间隔设定时长没有接收到包含该虚MAC地址的通告报文，则接管使用该虚MAC地址。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：当所述主用路由设备发生故障时，其他各路由设备重新选举出一个主用路由设备。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选举出的主用路由设备为自身分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为所述其他路由设备分配不同的虚MAC地址具体为：

所述选举出的主用路由设备在自身尚没有虚MAC地址时，从预先设置的虚MAC地址范围内分配一个尚未分配的虚MAC地址给自身，在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，从所述虚MAC地址范围内分配一个尚未分配的虚MAC地址给所述其他路由设备；或者，

所述选举出的主用路由设备在自身尚没有虚MAC地址时，按照预设的报文转发能力与虚MAC地址数目的对应关系，从尚未分配的虚MAC地址中分配与自身的报文转发能力对应数目的虚MAC地址给自身，在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，按照预设的报文转发能力与虚MAC地址数目的对应关系，从尚未分配的虚MAC地址中分配与发送虚MAC分配请求报文的路由设备的报文转发能力对应数目的虚MAC地址给发送所述虚MAC分配请求报文的路由设备。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述其他路由设备在尚没有虚MAC地址时循环发送所述虚MAC分配请求报文，直至接收到所述虚MAC分配应答报文；

所述主用路由设备分配虚MAC地址给路由设备后，记录分配的虚MAC地址和路由设备的对应关系，当多次接收到其他路由设备的虚MAC分配请求报文时，仍将该发送虚MAC分配请求报文的路由设备所对应的虚MAC地址分配给该路由设备。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主用路由设备分配虚MAC地址给路由设备后，启动分配状态检查定时器，如果该分配状态检查定时器达到设定时长仍没有接收到包含该虚MAC地址的通告报文，则所述主用路由设备将该虚MAC地址标识为未分配。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通告报文除了包含虚MAC地址之外还包括：发送该通告报文的路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级；

如果路由设备接收到的通告报文所包含的虚MAC地址与自身所使用的虚MAC地址相同，则判断该路由设备自身使用该虚MAC地址的竞争优先级是否大于通告报文中包含的竞争优先级，如果是，则保持该虚MAC地址的使用，否则，退出该虚MAC地址的使用。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，路由设备使用虚MAC地址的竞争优先级根据该路由设备的报文转发能力和当前使用的虚MAC地址数目确定。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，确定所述路由设备使用虚MAC地址的竞争优先级具体包括：

如果所述路由设备是主用路由设备所分配的该虚MAC地址的使用者，则在该路由设备的报文转发能力大于设定的转发能力阈值的情况下，设置该路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级为竞争优先级最大值，在该路由设备的报文转发能力小于设定的转发能力阈值的情况下，设置该路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级为竞争优先级最小值；

如果该路由设备是该虚MAC地址的接管使用者，则设置该路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级P为：P＝W/(C+1)，其中，W为该路由设备的报文转发能力量化值，C为该路由设备当前所使用的虚MAC地址数量。

9.根据权利要求5至7任一权项所述的方法，其特征在于，该方法还包括：路由设备接管使用虚MAC地址后，启动重定向定时器，当重定向定时器超时后，通知主用路由设备不再将该虚MAC地址携带在地址解析响应中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括：路由设备接管使用虚MAC地址后，启动生存定时器，当生存定时器超时后，在所述虚拟路由器中发送包含该虚MAC地址的释放报文以通告该虚MAC地址不再使用；

其他路由设备接收到包含该虚MAC地址的释放报文后，停止对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听；主用路由设备接收到包含该虚MAC地址的释放报文后，将该虚MAC地址标识为未分配；

其中，所述生存定时器的定时时长大于所述重定向定时器的定时时长。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照负载均衡策略，将分配给所述虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中具体包括：所述主用路由设备按照固定的顺序依次选择已分配给路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中；或者，

所述主用路由设备将各路由设备的报文转发能力和/或当前负载状况作为加权因素，选择已分配给路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中。

12.一种路由设备，其特征在于，多个该路由设备用于构成一个虚拟路由器，且该虚拟路由器的虚IP地址配置为同一网段各客户端的缺省网关IP地址；该路由设备包括：角色选举单元、请求接收单元、应答发送单元、地址使用单元和地址监听单元以及地址分配单元和地址获取单元；

所述角色选举单元，用于选举虚拟路由器中的主用路由设备；

所述地址分配单元，用于在所述角色选举单元选举出的主用路由设备为该路由设备时，为该路由设备分配虚MAC地址，并在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，为所述其他路由设备分配不同的虚MAC地址，并通过地址应答报文发送给所述其他路由设备；

所述地址获取单元，用于在所述角色选举单元选举出的主用路由设备不是该路由设备时，向主用路由设备发送虚MAC分配请求报文；接收主用路由设备发送的包含分配给该路由设备的虚MAC分配应答报文；

所述请求接收单元，用于在所述角色选举单元选举出的主用路由设备为该路由设备时，接收来自客户端的地址解析请求；

所述应答发送单元，用于在所述请求接收单元接收到所述地址解析请求后，按照负载均衡策略，将分配给所述虚拟路由器中各路由设备的虚MAC地址携带在地址解析应答中回复给所述客户端，以供所述客户端利用接收到的虚MAC地址进行报文的发送；

所述地址使用单元，用于在该路由设备被分配了虚MAC地址后，开始使用该虚MAC地址；接收到所述地址监听单元发送的接管通知后，使用该接管通知中包含的虚MAC地址；其中，使用虚MAC地址具体为：承担目的MAC地址为该虚MAC地址的报文转发，且在该路由设备处于正常状态时，在所述虚拟路由器中周期性地发送包含该路由设备所使用虚MAC地址的通告报文；

所述地址监听单元，用于接收到其他路由设备发送的携带虚MAC地址的通告报文后，对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听，如果间隔设定时长没有接收到包含该虚MAC地址的通告报文，则向所述地址使用单元发送包含该虚MAC的接管通知。

13.根据权利要求12所述的路由设备，其特征在于，所述地址分配单元在所述角色选举单元选举出的主用路由设备为该路由设备时，如果该路由设备尚没有虚MAC地址，则从预先设置的虚MAC地址范围内分配一个尚未分配的虚MAC地址给该路由设备；在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，从所述虚MAC地址范围内分配一个尚未分配的虚MAC地址给所述其他路由设备；或者如果该路由设备尚没有虚MAC地址，则按照预设的报文转发能力与虚MAC地址数目的对应关系，从尚未分配的虚MAC地址中分配与该路由设备的报文转发能力对应数目的虚MAC地址给该路由设备，在接收到其他路由设备发送的虚MAC分配请求报文后，按照预设的报文转发能力与虚MAC地址数目的对应关系，从尚未分配的虚MAC地址中分配与发送虚MAC分配请求报文的路由设备的报文转发能力对应数目的虚MAC地址，并将分配的虚MAC地址携带在虚MAC分配应答报文中回复给发送虚MAC分配请求报文的路由设备。

14.根据权利要求12所述的路由设备，其特征在于，所述地址获取单元，还用于在该路由设备尚没有虚MAC地址时，循环发送所述虚MAC分配请求报文，直至接收到所述虚MAC分配应答报文；

所述地址分配单元，还用于分配虚MAC地址给其他路由设备后，记录分配的虚MAC地址和该其他路由设备的对应关系，当多次接收到该其他路由设备的虚MAC分配请求报文时，仍将该发送虚MAC分配请求报文的路由设备对应的虚MAC地址分配给该发送虚MAC分配请求报文的路由设备。

15.根据权利要求12所述的路由设备，其特征在于，所述地址使用单元，除了在所述通告报文中包含该路由设备所使用虚MAC地址之外，还用于在所述通告报文中携带该路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级；

该路由设备还包括：优先级比较单元，用于在所述地址监听单元接收到的通告报文中所包含的虚MAC地址与所述地址使用单元所使用的虚MAC地址相同时，判断该路由设备使用该虚MAC地址的竞争优先级是否大于通告报文中包含的竞争优先级，如果是，则控制所述地址使用单元保持对该虚MAC地址的使用，否则，控制所述地址使用单元退出该虚MAC地址的使用。

16.根据权利要求12所述的路由设备，其特征在于，该路由设备还包括：重定向定时器和到时通知单元；

所述重定向定时器，用于在所述地址使用单元接收到所述接管通知后启动；

所述到时通知单元，用于在所述重定向定时器超时后，通知主用路由设备的应答发送单元不再将该虚MAC地址携带在地址解析响应中。

17.根据权利要求16所述的路由设备，其特征在于，该路由设备还包括：生存定时器，用于在所述地址使用单元接收到所述接管通知后启动；

所述到时通知单元，还用于在所述生存定时器超时后，在所述虚拟路由器中发送包含该虚MAC地址的释放报文以通告该虚MAC地址不再使用；

所述地址监听单元，还用于接收其他路由设备发送的包含虚MAC地址的释放报文，并停止对包含该虚MAC地址的通告报文进行监听；

其中，所述生存定时器的定时时长大于所述重定向定时器的定时时长。

18.根据权利要求12所述的路由设备，其特征在于，该路由设备还包括：分配状态检查定时器，用于在所述地址分配单元将分配的虚MAC地址携带在虚MAC分配应答报文中回复给发送虚MAC分配请求报文的路由设备之后开始计时；

所述地址监听单元，还用于在该路由设备为主用路由设备时，如果所述分配状态检查定时器达到设定时长仍没有监听到包含所述分配的虚MAC地址的通告报文，则通知所述地址分配单元将该虚MAC地址标识为未分配。

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