CN102104542A - 转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法；该方法含有下列步骤：步骤1：构建实现业务的逻辑功能块拓扑结构；步骤2：根据各逻辑功能块运行所需的资源情况和转发件的处理能力确定完成业务处理所需的转发件数量；步骤3：将业务的逻辑功能块拓扑结构映射成各个转发件间和转发件内部逻辑功能块的拓扑结构；步骤4：控制件根据转发件间的拓扑结构生成业务转发表，转发件根据业务转发表来选择处理后续子业务所需转发件；步骤5：在业务处理过程中，控制件根据所有的负载信息实时调整并更新转发件的业务转发表；本发明提高了集群系统的可伸缩性和可管理性，增强了路由器的扩展性和灵活性。
Description
（一）、技术领域：本发明涉及一种实现路由器的方法，特别是涉及一种转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法。
（二）、背景技术: 随着互联网等计算机网络应用领域的迅速扩大，新特性、新需求不断出现并不断变化，这就要求新一代网络设备应具有足够的灵活性，能快速地对新业务、新需求做出响应；要求新一代网络设备应具有足够的开放性，使用户可以根据所开放的资源灵活组合，以提供不同的网络需求服务；要求新一代网络设备应具有足够的模块化特性，并通过标准化组织进行标准化，使得每个模块可以由不同厂家独立研究开发，又可以通过积木式有机组合成一个整体，这种积木式的发展模式可以极大地加快产品的开发过程，同时也有利于良性竞争、降低成本，个人计算机（PC）的发展已经充分证明了该模式的有效性。转发与控制分离的网络件正是由于满足了新一代网络的以上要求而在目前得到了广泛研究和应用。关于转发与控制分离网络件的研究目前主要在互联网标准制定组织IETF 引导下开展，IETF成立了专门的ForCES（Forwarding and Control Element Separation, 转发和控制件分离）工作组。一个转发与控制分离的网络件分成转发件（FE）和控制件（CE）两部分，互联网协议RFC3654中规定了转发与控制分离网络件的需求（Requirements），互联网协议RFC3746规定了转发与控制分离网络件的框架（Framework）。它们之间的信息交换使用标准化的被称为“ForCES协议”的信息交换协议,进而转发与控制分离网络件也被称为ForCES网络件，标准化使得转发件和控制件可以由不同厂家生产。
在计算机网络中，路由器是重要的网络设备，在网络通信中主要完成路由选择、转发任务，随着网络应用的不断发展，路由器还要完成一些控制、管理以及业务处理功能。现有路由器体系结构由于受其自身硬件结构、路由操作系统及协议软件结构的固有限制，普遍缺乏良好的可扩展性，在很多方面难以满足新一代互联网可扩展性的需要。为了适应新一代互联网对可扩展性的需求，解决高性能路由器可扩展问题，对ForCES架构下集群路由器应用的研究具有非常重大的意义。集群路由器是指将多个可独立运行的路由交换结点(如：常规路由器或通用PC计算机等)，通过某种高速互连网络连接起来构成的单映像路由系统。对集群式路由器的实现可以采用两种途径。第一是采用高速互连卡或高速互连网络将多台常规路由器连接起来，在集群路由协议的支持下，形成一个单映像路由器。第二是用使用专用网(SpecialAr ean etwork,S AN)或者局域网(LocalA reaN etwork,L AN)将多台常规计算机连接成计算机集群系统，每台计算机运行可重构的IP转发软件，在集群路由协议的支持下，形成一个单映像路由器。在集群路由器体系结构中,为了提高集群系统的可伸缩性和可管理性, 增强路由器的扩展性和灵活性，我们可以采用转发与控制分离结构，即ForCES( Forwarding andControl Element Separation)结构，将集群路由器控制平面与转发平面分离开来。
目前，ForCES工作组已经提出了关于转发件间数据传输机制的两个草案，即一个ForCES NE内部的转发件拓扑结构的发现和维护机制以及转发件间数据包传输的路由机制，但关于按照什么方式组织转发件和转发件内的逻辑功能块 而获得更好的转发性能还没有研究人员提出相关的设计方案。
（三）、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，该方法解决了集群路由器的可扩展性问题，在集群路由器体系结构中，采用转发和控制件分离技术可以实现转发平面和控制平面的分离，从而提高集群系统的可伸缩性和可管理性, 增强路由器的扩展性和灵活性。
本发明的技术方案：
一种转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，含有下列步骤：
步骤1：初始时将业务分成多个子业务模块，采用逻辑功能块对各个子业务模块进行描述，构建出实现该业务的逻辑功能块拓扑结构；
步骤2：控制件根据各逻辑功能块运行所需的资源情况和转发件的处理能力确定完成业务处理所需的转发件数量；
步骤3：控制件根据该业务逻辑功能块的拓扑结构，将业务的逻辑功能块拓扑结构映射成各个转发件间和转发件内部逻辑功能块的拓扑结构；
步骤4：控制件根据转发件间的拓扑结构生成业务转发表，并下发给转发件，转发件根据业务转发表来选择处理后续子业务所需转发件；
步骤5：在业务处理过程中，转发件向控制件上报自己的负载信息，控制件根据所有的负载信息实时调整并更新转发件的业务转发表，从而来实现负载均衡。
步骤1的具体方法为：初始时将业务分成多个子业务模块，是由研发人员
根据业务处理流程进行系统的划分，之后根据ForCES协议中的逻辑功能块模型用XML语言对各个子业务模块进行描述，构建出实现该业务的逻辑功能块拓扑结构。
步骤2的具体方法为：控制件分析逻辑功能块运行时所需的资源情况，以所需内存和CPU的占有率作为衡量标准，将所有逻辑功能块运行时所需的内存消耗和CPU消耗与每个转发件的内存大小和CPU处理能力进行对比后，计算出所需转发件的数量。
步骤3的具体方法为：控制件根据该业务逻辑功能块的拓扑结构并结合逻
辑功能块运行时所需的资源情况与转发件处理能力之间的对比关系，将业务的逻辑功能块拓扑结构映射成各个转发件间和转发件内部的逻辑功能块的拓扑结构。
步骤4的具体方法为：控制件根据由转发件间的拓扑结构计算得到的转发
表和转发件所处理的子业务进行计算获得业务转发表，控制件将生成的业务转发表下发给转发件，转发件根据业务转发表来选择处理后续子业务所需转发件。
步骤5的具体方法为：在业务处理过程中，转发件中的负载查询逻辑功能块周期将自身的负载信息上报给控制件，控制件通过对实时的负载信息进行汇总评估更新负载状况表，采用负载均衡算法计算出新的业务转发表，并下发给转发件，转发件根据新的业务转发表转发数据，从而实现负载均衡，提高系统性能。
本发明的有益效果：
1、 本发明的主要特点为：1）满足了多业务的处理需求；2）设计出的业
务转发表，可以更有效的实现业务的处理；3）通过负载均衡机制，充分发挥了各个转发件的性能，有利于提高网络件对外提供的服务性能；4）可被标准化的前景使得本发明具有广阔的应用前景和广泛的实际使用效果前景。
（四）、附图说明：
图1为转发件的结构示意图；
图2为防火墙业务的转发件结构示意图；
图3为防火墙业务的转发件拓扑结构示意图；
图4为ForCES集群路由器软件体系结构示意图；
图5为控制件中实施负载均衡策略的流程图。
（五）、具体实施方式：
一种转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，含有下列步骤：
步骤1：初始时将业务分成多个子业务模块，采用逻辑功能块对各个子业务模块进行描述，构建出实现该业务的逻辑功能块拓扑结构；
步骤2：控制件根据各逻辑功能块运行所需的资源情况和转发件的处理能力确定完成业务处理所需的转发件数量；
步骤3：控制件根据该业务逻辑功能块的拓扑结构，将业务的逻辑功能块拓扑结构映射成各个转发件间和转发件内部逻辑功能块的拓扑结构；
步骤4：控制件根据转发件间的拓扑结构生成业务转发表，并下发给转发件，转发件根据业务转发表来选择处理后续子业务所需转发件；
步骤5：在业务处理过程中，转发件向控制件上报自己的负载信息，控制件根据所有的负载信息实时调整并更新转发件的业务转发表，从而来实现负载均衡。
步骤1的具体方法为：初始时将业务分成多个子业务模块，是由研发人员
根据业务处理流程进行系统的划分，之后根据ForCES协议中的逻辑功能块模型用XML语言对各个子业务模块进行描述，构建出实现该业务的逻辑功能块拓扑结构。
现通过将一个基于集群路由器架构的防火墙业务映射成具体的逻辑功能块拓扑结构来进一步说明上述方法，其过程包括以下步骤：
A、研发人员根据业务处理流程将其分为二层解封装子业务、通用过滤子业务、状态包过滤子业务、网络地址翻译子业务、IPv4Forwarder子业务、二层封装子业务、队列管理子业务、调度子业务；
B、控制件参考转发件的逻辑功能块资源库将各个业务对应成二层解封装逻辑功能块、通用过滤逻辑功能块、状态包过滤逻辑功能块、网络地址翻译逻辑功能块、IPv4Forwarder逻辑功能块、二层封装逻辑功能块、队列管理逻辑功能块、调度逻辑功能块；
C、控制件结合上面信息给出基于ForCES架构防火墙业务的逻辑功能块拓扑结构。
步骤2的具体方法为：控制件分析逻辑功能块运行时所需的资源情况，以所需内存和CPU的占有率作为衡量标准，将所有逻辑功能块运行时所需的内存消耗和CPU消耗与每个转发件的内存大小和CPU处理能力进行对比后，计算出所需转发件的数量。
逻辑功能块(LFB)存在于转发件（FE）的情况有两种(如图1所示)：
情况a）：完成单个逻辑功能块所需的CPU和内存消耗较小，因此多个不同的逻辑功能块可同存在于同一个转发件中；
情况b）：完成单个逻辑功能块所需的CPU和内存消耗已经超过单个转发件所能承受的范围，因此同个逻辑功能块需存于多个转发件中执行。
对于上述的防火墙业务，控制件分析所有逻辑功能块运行时所需的资源情况，确定完成业务处理所需转发件数量，包括以下步骤：
A、取相同配置的网络转发设备作为转发件，并定义转发件所能承受的最大负载能力；
B、控制件分析防火墙业务中各个逻辑功能块在网络转发设备独立运行时所消耗的资源情况，计算出完成业务处理所需的转发件数量。
步骤3的具体方法为：控制件根据该业务逻辑功能块的拓扑结构并结合逻
辑功能块运行时所需的资源情况与转发件处理能力之间的对比关系，将业务的逻辑功能块拓扑结构映射成各个转发件间和转发件内部的逻辑功能块的拓扑结构。
控制件将上述的防火墙业务的逻辑功能块拓扑结构映射成转发件拓扑图含有以下步骤：
A、根据防火墙业务的逻辑功能块拓扑结构，将每个逻辑功能块拓扑对应到一个转发件，确定实现该业务所需转发件初步的拓扑结构，描述各子业务的逻辑功能块映射到转发件内部的Service Proc逻辑功能块（如图2所示）；
B、根据各个逻辑功能块运行时消耗的转发件资源情况，根据逻辑功能块存在于转发件的两种情况将多个逻辑功能块合并在一个转发件执行或者将一个逻辑功能块在多个转发件执行，从而得到转发件最终的拓扑结构（如图3所示）。
步骤4的具体方法为：控制件根据由转发件间的拓扑结构计算得到的转发
表和转发件所处理的子业务进行计算获得业务转发表，控制件将生成的业务转发表下发给转发件，转发件根据业务转发表来选择处理后续子业务所需转发件。
对于上述的防火墙业务,控制件根据转发件拓扑结构生成业务转发表，含有以下步骤：
A、 控制件根据转发件间的拓扑结构，计算出各转发件到目的转发件的
路由表，然后根据各转发件后续子业务处理所需的转发件ID，通过查找路由表计算得到业务转发表，其业务转发表每条表项包括业务ID、下一跳转发件ID和调度概率，如表1所示:
表1： FE11所需的业务转发表
| 业务ID | 下一跳转发件ID | 调度概率 |
| 业务1 | FE21 | 0.33 |
| 业务1 | FE22 | 0.33 |
| 业务1 | FE23 | 0.33 |
B、控制件将配置好的业务分类规则和业务转发表下发给转发件，业务分类规则用于图2中的Ether Decap逻辑功能块，用于对数据包进行分类，业务转发表用于图2中的Service Fwd逻辑功能块，用于计算下一跳转发件ID；
C、图2中的Service Fwd逻辑功能块根据数据包的业务ID，通过查找业务转发表，获取下一跳转发件ID；如果存在多条匹配项，则根据其调度概率在所有的匹配项中选择下一跳转发件ID。
步骤5的具体方法为：在业务处理过程中，转发件中的负载查询逻辑功能块周期将自身的负载信息上报给控制件，控制件通过对实时的负载信息进行汇总评估更新负载状况表，采用负载均衡算法计算出新的业务转发表，并下发给转发件，转发件根据新的业务转发表转发数据，从而实现负载均衡，提高系统性能。
对于上述的防火墙业务,控制件根据所有转发件实时的负载信息实现负载均衡过程含有以下步骤：
A、转发件的负载查询逻辑功能块负责查询转发件自身的负载状况，然后将收集到的信息通过ForCES协议传送给控制件；
B、控制件的负载评估模块维护当前各子业务处理模块中各转发件的负载状况表，此表记录了当前子业务处理模块中各个转发件的负载状况；
C、控制件根据负载状况表相应的更改业务转发表中的调度概率，在下一个更新周期到来时，总是将子业务分配到当前子业务处理模块中综合负载最小的几个转发件上，以此来改善子业务处理模块中转发件之间的负载的平衡性，达到负载均衡。
为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现通过一个具体的例子说明本发明的技术方案。图4是该例子所用到的ForCES集群路由器软件体系结构，它采用集中控制/非对等转发结构，控制实体由一台性能超强的服务器来充当，而转发实体则有一些具有较好转发性能的网络转发设备构成。主控实体和被控实体使用ForCES协议通过内部通信网络交互信息。主控模块负责路由交换平台的路由计算、业务配置、运行管理、状态监控、路由下发等任务；转发模块负责数据报文转发、路由表更新、路由协议报文处理、构件重构等任务。在该例子中，转发件使用普通计算机构成，具体配置为：CPU Pentium 4 2.6、内存 2G，采用Redhat Linux操作系统；控制件使用普通计算机，具体配置为：CPU Pentium 4 3.0、内存 4G，采用Redhat Linux操作系统。
下面对该例子中控制件对同一子业务模块中的多个转发件实施负载均衡过程进行详细的说明：
步骤a：在网络件启动前，首先通过控制件管理单元和转发件管理单元进行协商，确定可用的控制件列表、可接受的转发件列表、负载均衡策略和其他ForCES协议运行所需的一些参数。控制件管理单元和转发件管理单元是一个逻辑上的模块，在ForCES协议中已有定义，可以作为一个软件模块存在于控制件或转发件上，通过自己的协议进行互相信息交互，也可以仅仅是一个配置文件或是由网络件管理员手工设置。在该例子中采用配置文件方式实现其功能，通过管理员手工编辑配置文件，在各个控制件上保存可用的控制件列表和可接受的转发件列表的配置文件，而在转发件上仅保存可用的控制件列表的配置文件。
步骤b：转发件中的负载查询逻辑功能块负责查询自身CPU占用率F(Ck)、磁盘I／0占用率F(Dk)、内存占用率F(Mk)、网络带宽占用率F(Nk)、进程数量占用率F(Pk)等，这个过程我们是通过对Linux的/proc文件系统下的stat文件的分析实现的。/proc文件是一种内核和内核模块用来向进程发送信息的机制，它是一个虚拟文件系统，用于输出系统运行状态，作为操作系统本身和应用程序之间通信界面，为应用程序获取系统当前的运行状况和内核的内部数据信息提供了便利的接口，此文件系统只存在于内存中，不占用外存空间。例如，/proc/cpuinfo可以提供许多有关CPU的静态信息，/proc/stat文件包含了CPU利用率、磁盘、内存页、内存对换和全部中断等信息，这些信息都是从系统启动开始累计到当前时刻的。随后转发件并将收集到的信息打包周期性的用ForCES协议传送给控制件。
步骤c：控制件中的负载评估模块维护着当前业务处理中所有转发件的负载状况表，并对一个周期内转发件传送上来的负载信息进行一次归类，首先根据处理业务的需要及相关集群领域的知识，将各个负载因子细分成不同的等级；然后根据负载因子等级划分，对子业务处理模块负载信息决策表，进行离散化处理；最后根据相应的规则将子业务处理模块中的所有转发件划分成3个组，第1组中的转发件由于负载等级最小因而具有最高的请求分配优先权，第2组次之，第3组最低，同一组中的所有转发件是不可区分的，表示同一组内的所有转发件负载量基本相同。
步骤d：控制件根据转发件间的拓扑结构，计算出各转发件到目的转发件的路由表，然后根据各转发件后续子业务处理所需的转发件ID，通过查找路由表计算得到业务转发表，并将配置好的业务分类规则和业务转发表下发给转发件，上述转发件根据新的业务转发表来选择此周期内该子业务处理请求走的路径，当一个更新周期内大量的业务处理请求到来时，它们会将这些请求轮转分配到负载量最低的组中所有转发件上，而不是某一台负载最低的转发件上，减少了因为突发的大量业务造成的集群系统不稳定的现象。控制件中实施负载均衡策略的流程图如图5所示。
Claims (6)
1.一种转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，其特征是：含有下列步骤：
步骤1：初始时将业务分成多个子业务模块，采用逻辑功能块对各个子业务模块进行描述，构建出实现该业务的逻辑功能块拓扑结构；
步骤2：控制件根据各逻辑功能块运行所需的资源情况和转发件的处理能力确定完成业务处理所需的转发件数量；
步骤3：控制件根据该业务逻辑功能块的拓扑结构，将业务的逻辑功能块拓扑结构映射成各个转发件间和转发件内部逻辑功能块的拓扑结构；
步骤4：控制件根据转发件间的拓扑结构生成业务转发表，并下发给转发件，转发件根据业务转发表来选择处理后续子业务所需转发件；
步骤5：在业务处理过程中，转发件向控制件上报自己的负载信息，控制件根据所有的负载信息实时调整并更新转发件的业务转发表，从而来实现负载均衡。
2.根据权利要求1所述的转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，其特征是：所述步骤1的具体方法为：初始时将业务分成多个子业务模块，是由研发人员根据业务处理流程进行系统的划分，之后根据ForCES协议中的逻辑功能块模型用XML语言对各个子业务模块进行描述，构建出实现该业务的逻辑功能块拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，其特征是：所述步骤2的具体方法为：控制件分析逻辑功能块运行时所需的资源情况，以所需内存和CPU的占有率作为衡量标准，将所有逻辑功能块运行时所需的内存消耗和CPU消耗与每个转发件的内存大小和CPU处理能力进行对比后，计算出所需转发件的数量。
4.根据权利要求1所述的转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，其特征是：所述步骤3的具体方法为：控制件根据该业务逻辑功能块的拓扑结构并结合逻辑功能块运行时所需的资源情况与转发件处理能力之间的对比关系，将业务的逻辑功能块拓扑结构映射成各个转发件间和转发件内部的逻辑功能块的拓扑结构。
5.根据权利要求1所述的转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，其特征是：所述步骤4的具体方法为：控制件根据由转发件间的拓扑结构计算得到的转发表和转发件所处理的子业务进行计算获得业务转发表，控制件将生成的业务转发表下发给转发件，转发件根据业务转发表来选择处理后续子业务所需转发件。
6.根据权利要求1所述的转发和控制分离网络件架构下实现业务集群路由器的方法，其特征是：所述步骤5的具体方法为：在业务处理过程中，转发件中的负载查询逻辑功能块周期将自身的负载信息上报给控制件，控制件通过对实时的负载信息进行汇总评估更新负载状况表，采用负载均衡算法计算出新的业务转发表，并下发给转发件，转发件根据新的业务转发表转发数据，从而实现负载均衡。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110622 |