CN104702525A - 一种在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法及芯片设备 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法及芯片设备，所述方法包括步骤：接收报文；解析所述报文，查表得到对应所述报文的ECMP成员索引，并根据ECMP成员索引取得物理出口和编辑动作索引；根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作；根据所述ECMP成员索引取得外层二层头编辑动作；根据所述NAT编辑动作、所述VXLAN编辑动作及所述外层二层头编辑动作编辑所述报文；从所述物理出口发送所述报文。本发明可以在芯片中直接完成NAT功能、加VXLAN报文头功能以及ECMP功能，无需多个器件，且不使用环回占用多余带宽，大大降低虚拟化负载均衡的实现成本。

Description

一种在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法及芯片设备

技术领域

本发明涉及负载均衡领域，尤其涉及一种在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法及芯片设备。

背景技术

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network）协议定义了一个在四层协议UDP（User Datagram Protocol）之上的二层网络框架，并实现上层的二层网络转发域的隔离，主要用于数据中心的虚拟化。

如图1所示，在虚拟化的数据中心中，物理服务器被虚拟化成多台虚拟机。如图2所示，虚拟机的数据包流量在出物理服务器网卡时，会被加上“外层MAC头+外层IP头+外层UDP头+VXLAN头”的隧道封装。其中，VXLAN网关可以为特定流量封装提供特定VXLAN隧道头部。公有云应用场景下，VXLAN存在一种应用，用以连接数据中心内部的资源，并提供对数据中心外公共服务的连接；提供该功能的设备可称为VXLAN 负载均衡器（Load-Balancer），这种VXLAN 负载均衡的需求包含NAT（Network Address Translation）功能、加VXLAN报文头功能以及ECMP（Equal-cost multi-path）功能这三步。

目前，在一些现有技术中，可通过多台设备或多个器件分别实现NAT功能、加VXLAN报文头功能和ECMP功能，该种方法成本较高；在其他一些现有技术中，可通过先做NAT功能后循环回芯片再走一遍整个处理流程去加VXLAN封装并做ECMP的方式实现，该种方法循环过程占用的带宽是正常处理包时的两倍，芯片通常无法满带宽线速转发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法及芯片设备。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，包含步骤：

接收报文；

解析所述报文，查表得到对应所述报文的ECMP成员索引，并根据所述ECMP成员索引取得物理出口和编辑动作索引；

根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作；

根据所述ECMP成员索引取得外层二层头编辑动作；

根据所述NAT编辑动作、所述VXLAN编辑动作及所述外层二层头编辑动作编辑所述报文；

从所述物理出口发送所述报文。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作”具体包括：

所述编辑动作索引对应的编辑动作实体包括依次执行的第一级子编辑索引及第二级子编辑索引，根据所述第一级子编辑索引取得所述NAT编辑动作，根据所述第二级子编辑索引取得到所述VXLAN编辑动作。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“根据所述ECMP成员索引取得外层二层头编辑动作”具体包括：

所述第二级子编辑索引对应的第二级子编辑实体包括第三级子编辑索引，当所述第三级子编辑索引等于特征值时，根据所述ECMP成员索引取得所述外层二层头编辑动作；当所述第三级子编辑索引不等于所述特征值时，根据所述第三级子编辑索引取得所述外层二层头编辑动作。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“当所述第三级子编辑索引等于特征值时，根据所述ECMP成员索引取得所述外层二层头编辑动作”具体包括：

当所述第三级子编辑索引等于所述特征值时，根据所述ECMP成员索引得到第四级子编辑索引，并根据所述第四级子编辑索引得到所述外层二层头编辑动作。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“解析所述报文，得到对应所述报文的ECMP成员索引和编辑动作索引”具体包括：

解析所述报文，当所述报文的源端口为路由端口时，查找路由表，得到对应所述报文的ECMP成员端口和所述编辑动作索引；当所述报文的源端口为非路由端口时，不按照查找所述路由表的方式处理所述报文。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述NAT编辑动作包括将所述报文的TTL减去1。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种实现虚拟化负载均衡的芯片设备，包括接收模块、解析模块、执行模块、编辑模块及发送模块，接收模块用于接收报文；解析模块用于解析所述报文，并查表得到对应所述报文的ECMP成员索引，并根据ECMP成员索引取得物理出口和编辑动作索引；执行模块用于根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作，以及根据所述ECMP成员索引取得外层二层头编辑动作；编辑模块用于根据所述NAT编辑动作、所述VXLAN编辑动作及所述外层二层头编辑动作编辑所述报文；发送模块用于从所述物理出口发送所述报文。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述执行模块包括对应所述编辑动作索引的编辑动作实体，所述编辑动作实体包括依次执行的第一级子编辑索引及第二级子编辑索引，所述执行模块用于根据所述第一级子编辑索引取得所述NAT编辑动作，且所述执行模块根据所述第二级子编辑索引取得到所述VXLAN编辑动作。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述执行模块还包括对应所述第二级子编辑索引的第二级子编辑实体，所述第二级子编辑实体包括第三级子编辑索引及特征值，当所述第三级子编辑索引等于所述特征值时，所述执行模块用于根据所述ECMP成员索引取得所述外层二层头编辑动作；当所述第三级子编辑索引不等于所述特征值时，所述执行模块用于根据所述第三级子编辑索引取得所述外层二层头编辑动作。

作为本发明一实施方式的进一步改进，当所述第三级子编辑索引等于所述特征值时，所述执行模块用于根据所述ECMP成员索引得到第四级子编辑索引，且所述执行模块根据所述第四级子编辑索引得到所述外层二层头编辑动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明可以在芯片中直接完成NAT功能、加VXLAN报文头功能以及ECMP 功能，无需多个器件，且不占用多余带宽，大大降低虚拟化负载均衡的实现成本。

附图说明

图1是本发明现有技术的虚拟化的数据中心示意图；

图2是本发明现有技术的数据包流量在出物理服务器网关时的示意图；

图3是本发明一实施方式的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法流程图；

图4是本发明一实施方式的负载均衡功能示意图；

图5是本发明一实施方式的实现虚拟化负载均衡的芯片设备框图；

图6是本发明一具体示例的虚拟化的数据中心示意图；

图7是本发明一具体示例的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图3及图4，本发明一实施方式的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法包括步骤：

接收报文；

解析所述报文，查表得到对应所述报文的ECMP成员索引M，并根据所述ECMP成员索引M取得物理出口和编辑动作索引A；

根据所述编辑动作索引A取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作；

根据所述ECMP成员索引M取得外层二层头编辑动作；

根据所述NAT编辑动作、所述VXLAN编辑动作及所述外层二层头编辑动作编辑所述报文；

从所述物理出口发送所述报文。

在本实施方式中，将数据中心虚拟化部署中的负载均衡直接集成到一个芯片中，即在该芯片中可以同时完成NAT功能、加VXLAN报文头功能以及ECMP 功能，如此，无需多个器件，且不占用多余带宽，大大降低虚拟化负载均衡的实现成本。

具体的，本发明获取物理出口和编辑动作索引A的具体流程为：解析接收到的报文，并得到所述报文中的MAC地址和IP地址，按照IP地址进行查找路由表，得到一个ECMP组，按照一定的规则在ECMP组中选取特定成员，得到所述ECMP成员索引M，根据ECMP成员索引M获取物理出口和编辑动作索引A。这里，需要说明的是，当通过路由表查找到的不是ECMP组时，会直接查找获取到物理出口和编辑动作索引A，而无需再经过ECMP成员索引M获取物理出口和编辑动作索引A。

当报文从公网侧到达芯片后，由于不是所有报文的源端口都是路由端口，因此，还需进行报文源端口的判断，当所述报文的源端口为路由端口时，例如报文为三层端口报文，判断此时报文的操作类型为路由，报文的MACDA为路由MAC，此时，查找路由表，得到对应所述报文的ECMP成员索引M和所述编辑动作索引A；当所述报文的源端口为非路由端口时，判断此时报文的操作类型不是路由，不会用到路由功能，因此，不按照本专利所述方案处理报文。

在本实施方式中，步骤“根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作”具体包括：

所述编辑动作索引A对应的编辑动作实体包括依次执行的第一级子编辑索引B1及第二级子编辑索引B2，根据所述第一级子编辑索引B1取得所述NAT编辑动作，根据所述第二级子编辑索引B2取得到所述VXLAN编辑动作。

这里，所述NAT编辑动作包括修改报文表中的MACDA(目的MAC地址)、MACSA（源MAC地址）、IPDA（目的IP地址）、IPSA（源IP地址），在其他实施方式中，NAT编辑动作还包括将所述报文的TTL减去1，以限制数据包在计算机网络中的存在的时间，但不以此为限，该功能不一定由NAT编辑动作完成。所述VXLAN编辑动作包括VXLAN及外层三层头的编辑，具体为添加VXLAN头、外层UDP头、外层IP头等至报文表中。需要说明的是，NAT编辑动作及VXLAN编辑动作在芯片中按顺序依次执行。

在本实施方式中，可在第二级子编辑索引B2对应的第二级子编辑实体中配置一个第三级子编辑索引B3，若该第三级子编辑索引B3等于特征值K，表明此时的ECMP成员索引M包含多个等价目的地，即查询路由表得到的目的地是ECMP，此时可以根据ECMP成员索引M取得对应的所述外层二层头编辑动作，在其他实施方式中，还可根据所述ECMP成员索引M得到第四级子编辑索引B4，并根据所述第四级子编辑索引B4得到对应的所述外层二层头编辑动作；若该第三级子编辑索引B3不等于特征值K，表明此时的路由查找结果仅包含一个目的地，即查询路由表得到的目的地只有一个，此时第三级子编辑索引B3生效，可以根据所述第三级子编辑索引B3取得对应的所述外层二层头编辑动作。这里，外层二层头编辑动作主要为添加外层MAC头至报文表中。

需要说明的是，本实施方式设置了多级索引，一方面，可以使得条理上更加清晰，另一方面，每一级索引都代表一种网络行为的编辑，有利于编辑动作个数的收敛。

其中，设置第一级子编辑索引B1及第二级子编辑索引B2可以减少编辑的数量。假设报文A和报文B来自的VM（Virtual Machine）不同，IP不一样，要做的NAT编辑也不一样，但在同一个租户（VNI）内，要加的VXLAN及外层三层头是一样的，所以，将第一级子编辑索引B1及第二级子编辑索引B2分开，可使得报文A和报文B的NAT编辑动作分两个条目进行配置，而VXLAN编辑动作只需配置一个条目。

设置第三级子编辑索引B3的原因在于，查询路由表的结果为ECMP的时候，外层二层头的编辑按路径不同是不同的，假设有8个路径，那就有8种编辑，这里，第三级子编辑索引B3（即外层二层头编辑动作的索引）不在编辑动作实体内直接出索引，而是移到后面去做，如此，ECMP的时候编辑动作实体只需要有1个就够了，而无需重复配置8个，因为ECMP的时候，报文除了外层二层头的编辑不同之外，其他编辑都是一样的。

参见图5，本发明的实现虚拟化负载均衡的芯片设备包括接收模块10、解析模块11、执行模块12、编辑模块13及发送模块14，接收模块10用于接收报文；解析模块11用于解析所述报文，并查表得到对应所述报文的ECMP成员索引M和编辑动作索引A；执行模块12用于根据所述编辑动作索引A取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作，以及根据所述ECMP成员索引M取得外层二层头编辑动作；编辑模块13用于根据所述NAT编辑动作、所述VXLAN编辑动作及所述外层二层头编辑动作编辑所述报文；发送模块14用于发送所述报文。

在本实施方式中，将数据中心虚拟化部署中的负载均衡直接集成到一个芯片中，即在该芯片中可以同时完成NAT功能、加VXLAN报文头功能以及ECMP 功能，如此，无需多个器件，且不使用环回占用多余带宽，大大降低虚拟化负载均衡的实现成本。

当报文从公网侧到达芯片后，由于不是所有的报文的源端口都是路由端口，因此，还需进行报文源端口的判断，当所述报文的源端口为路由端口时，例如报文为三层端口报文，解析模块11判断此时报文的操作类型为路由，报文的MACDA为路由MAC，此时，解析模块11查找路由表，得到对应所述报文的ECMP成员索引M和所述编辑动作索引A；当所述报文的源端口为非路由端口时，解析模块11判断此时报文的操作类型不是路由，不会用到路由功能，因此，不按解析模块11处理该报文。

在本实施方式中，所述执行模块12包括对应所述编辑动作索引A的编辑动作实体，所述编辑动作实体包括依次执行的第一级子编辑索引B1及第二级子编辑索引B2，所述执行模块12用于根据所述第一级子编辑索引B1取得所述NAT编辑动作，以及根据所述第二级子编辑索引B2取得到所述VXLAN编辑动作。

这里，所述NAT编辑动作包括修改报文表中的MACDA(目的MAC地址)、MACSA（源MAC地址）、IPDA（目的IP地址）、IPSA（源IP地址）、四层(UDP/TCP)源端口号和目的端口号，在其他实施方式中，NAT编辑动作还包括将所述报文的TTL减去1，以限制数据包在计算机网络中的存在的时间，但不以此为限，该功能不一定由NAT编辑动作完成。所述VXLAN编辑动作包括VXLAN及外层三层头的编辑，具体为添加VXLAN头、外层UDP头、外层IP头等至报文表中。需要说明的是，NAT编辑动作及VXLAN编辑动作在芯片中按顺序依次执行。

在本实施方式中，所述执行模块12还包括对应所述第二级子编辑索引B2的第二级子编辑实体，所述执行模块12可在第二级子编辑实体中配置一个第三级子编辑索引B3，若该第三级子编辑索引B3等于特征值K，表明此时的ECMP成员索引M包含多个等价目的地，即查询路由表得到的目的地是ECMP，此时执行模块12可以根据ECMP成员索引M取得对应的所述外层二层头编辑动作，在其他实施方式中，执行模块12可以根据所述ECMP成员索引M得到第四级子编辑索引B4，并根据所述第四级子编辑索引B4得到对应的所述外层二层头编辑动作；若该第三级子编辑索引B3不等于特征值K，表明此时的路由表查找结果仅包含一个目的地，即查询路由表得到的目的地只有一个，此时第三级子编辑索引B3生效，执行模块12可以根据所述第三级子编辑索引B3取得对应的所述外层二层头编辑动作。这里，外层二层头编辑动作主要为添加外层MAC头至报文表中。

需要说明的是，本实施方式设置了多级索引，一方面，可以使得条理上更加清晰，另一方面，每一级索引都代表一种网络行为的编辑，有利于编辑动作个数的收敛。

其中，设置第一级子编辑索引B1及第二级子编辑索引B2可以减少编辑实体条目的数量。假设报文A和报文B来自的VM不同，IP不一样，要做的NAT编辑也不一样，但在同一个租户（VNI）内，要加的VXLAN及外层三层头是一样的，所以，将第一级子编辑索引B1及第二级子编辑索引B2分开，可使得报文A和报文B的使用不同的NAT编辑动作，而VXLAN编辑动作使用同一个。

设置第三级子编辑索引B3的原因在于，查询路由表的结果为ECMP的时候，外层二层头的编辑按路径不同是不同的，假设有8个路径，那就有8种编辑，这里，第三级子编辑索引B3（即外层二层头编辑动作的索引）不在编辑动作实体内直接出索引，而是移到后面去做，如此，ECMP的时候编辑动作实体只需要有1个就够了，而无需重复配置8个，因为ECMP的时候，报文除了外层二层头的编辑不同之外，其他编辑都是一样的。

下面以一具体示例来说明本发明的芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，参见图6及图7，所述方法包括步骤：

包处理芯片接收报文，假设此时报文为绿色公网报文；

包处理芯片对所述报文进行包解析，并提取所述报文的源端口配置，当所述源端口为路由端口时，包处理芯片查找路由表，假设查找到此时绿色公网报文对应到一个ECMP组，所述ECMP组包括目的地为服务器001中的绿色VM001以及目的地为服务器n中的绿色VM002这两个成员，按一定的规则选取成员，得到所选成员对应的出端口以及编辑动作索引；

将流量数据包按一定规则（比如按IPSA进行哈希）分配至各个目的端口；

取得报文转发类型为路由，并作路由通用动作处理，即将报文的TTL减1；

根据编辑动作索引得到NAT编辑动作以及VXLAN编辑动作，其中，对应绿色VM001，NAT编辑动作主要为将报文中的绿色公网IP替换为绿色VM001的虚拟IP，以及报文中的MACDA替换为绿色VM001的虚拟MAC，VXLAN编辑动作主要为将报文的IPDA定义为物理服务器001的内网IP1，IPSA定义为Load-Balancer的内网IP0，并添加外层UDP头及VXLAN头至报文表中；对应绿色VM002，NAT编辑动作主要为将报文中的绿色公网IP替换为绿色VM002的虚拟IP，以及报文中的MACDA替换为绿色VM002的虚拟MAC，VXLAN编辑动作主要为将报文的IPDA定义为物理服务器n的内网IPn，IPSA定义为Load-Balancer的内网IP0，并添加外层UDP头及VXLAN头至报文表中；对于NAT的方式，也可结合四层(比如TCP/UDP的源目的端口)信息做映射，这属于NAT的通用功能，在本专利中不再赘述；

取出“ECMP选出口成员”配置，并根据ECMP出口成员的索引取得外层二层头编辑动作；外层二层头编辑动作主要为根据ECMP出口成员的不同添加不同的外层MAC头至报文表中；

编辑报文，并发送编辑完成的报文。

本发明的实施方式不仅限于VXLAN，也可使用其他IP三层隧道或GRE隧道。另外，在芯片实现时，本发明将NAT功能和VXLAN功能的编辑放入ECMP的成员编辑动作中，而外层二层头的编辑按成员索引另取。

本发明可以在芯片中直接完成NAT功能、加VXLAN报文头功能以及ECMP 功能，无需多个器件，且不占用多余带宽，大大降低虚拟化负载均衡的实现成本。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，其特征在于包括步骤：

接收报文；

解析所述报文，查表得到对应所述报文的ECMP成员索引，并根据所述ECMP成员索引取得物理出口和编辑动作索引；

根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作；

根据所述ECMP成员索引取得外层二层头编辑动作；

根据所述NAT编辑动作、所述VXLAN编辑动作及所述外层二层头编辑动作编辑所述报文；

从所述物理出口发送所述报文。

2.根据权利要求1所述的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，其特征在于，步骤“根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作”具体包括：

所述编辑动作索引对应的编辑动作实体包括依次执行的第一级子编辑索引及第二级子编辑索引，根据所述第一级子编辑索引取得所述NAT编辑动作，根据所述第二级子编辑索引取得到所述VXLAN编辑动作。

3.根据权利要求2所述的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，其特征在于，步骤“根据所述ECMP成员索引取得外层二层头编辑动作”具体包括：

所述第二级子编辑索引对应的第二级子编辑实体包括第三级子编辑索引，当所述第三级子编辑索引等于特征值时，根据所述ECMP成员索引取得所述外层二层头编辑动作；当所述第三级子编辑索引不等于所述特征值时，根据所述第三级子编辑索引取得所述外层二层头编辑动作。

4.根据权利要求3所述的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，其特征在于，步骤“当所述第三级子编辑索引等于特征值时，根据所述ECMP成员索引取得所述外层二层头编辑动作”具体包括：

当所述第三级子编辑索引等于所述特征值时，根据所述ECMP成员索引得到第四级子编辑索引，并根据所述第四级子编辑索引得到所述外层二层头编辑动作。

5.根据权利要求1所述的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，其特征在于，步骤“解析所述报文，得到对应所述报文的ECMP成员索引和编辑动作索引”具体包括：

解析所述报文，当所述报文的源端口为路由端口时，查找路由表，得到对应所述报文的ECMP成员端口和所述编辑动作索引；当所述报文的源端口为非路由端口时，不按照查找所述路由表的方式处理所述报文。

6.根据权利要求1所述的在芯片中实现虚拟化负载均衡的方法，其特征在于，所述NAT编辑动作包括将所述报文的TTL减去1。

7.一种实现虚拟化负载均衡的芯片设备，其特征在于包括：

接收模块，用于接收报文；

解析模块，用于解析所述报文，查表得到对应所述报文的ECMP成员索引，并根据ECMP成员索引取得物理出口和编辑动作索引；

执行模块，用于根据所述编辑动作索引取得NAT编辑动作和VXLAN编辑动作，以及根据所述ECMP成员索引取得外层二层头编辑动作；

编辑模块，用于根据所述NAT编辑动作、所述VXLAN编辑动作及所述外层二层头编辑动作编辑所述报文；

发送模块，用于从所述物理出口发送所述报文。

8.根据权利要求7所述的实现虚拟化负载均衡的芯片设备，其特征在于，所述执行模块包括对应所述编辑动作索引的编辑动作实体，所述编辑动作实体包括依次执行的第一级子编辑索引及第二级子编辑索引，所述执行模块用于根据所述第一级子编辑索引取得所述NAT编辑动作，且所述执行模块用于根据所述第二级子编辑索引取得到所述VXLAN编辑动作。

9.根据权利要求8所述的实现虚拟化负载均衡的芯片设备，其特征在于，所述执行模块还包括对应所述第二级子编辑索引的第二级子编辑实体，所述第二级子编辑实体包括第三级子编辑索引及特征值，当所述第三级子编辑索引等于所述特征值时，所述执行模块用于根据所述ECMP成员索引取得所述外层二层头编辑动作；当所述第三级子编辑索引不等于所述特征值时，所述执行模块用于根据所述第三级子编辑索引取得所述外层二层头编辑动作。

10.根据权利要求9所述的实现虚拟化负载均衡的芯片设备，其特征在于，当所述第三级子编辑索引等于所述特征值时，所述执行模块用于根据所述ECMP成员索引得到第四级子编辑索引，且所述执行模块用于根据所述第四级子编辑索引得到所述外层二层头编辑动作。