CN104782081B - 用于转移套接字状态的系统以及用于迁移tcp连接的方法 - Google Patents

Abstract

响应于从远程节点接收TCP入站消息分组，网络节点将所接收的TCP消息分组缓存在接收队列中。该网络节点向应用节点转发该入站消息分组。向备份节点发送不包括接收队列内容的套接字状态。响应于从该应用节点接收与各个入站消息分组对应的确认，该网络节点从该网络节点向该远程节点发送相应的确认。

Description

用于转移套接字状态的系统以及用于迁移TCP连接的方法

背景技术

应用程序可以使用传输控制协议(TCP)(例如，TCP/IP(互联网协议))连接来彼此通信。例如，远程应用节点(发送消息分组的源应用程序正在其上执行)可以向远程网络节点发送消息分组，远程网络节点向本地网络节点发送该消息，本地网络节点向本地应用节点(目的应用程序正在其上执行)转发该消息分组。这些网络节点建立用于在应用节点之间来回传递消息的连接。每个网络节点管理该连接中其自己的“套接字(即，端点)”的状态。

有时，可能希望将套接字状态转移至不同的网络节点。为了在主机系统之间重平衡工作负荷、为了释放主机系统来维护或维修或者响应于一些或所有主机故障，可以将应用程序迁移至例如更有能力或更兼容的主机系统。本文中的“迁移”包括故障切换(fail-over)，故障切换可能涉及在正常操作期间进行工作负荷或TCP连接套接字的备份拷贝，使得如果故障妨碍访问原件，则副本是可用的。为了维持不中断的操作，例如为了关键任务应用程序，可能希望迁移应用程序的一个或多个TCP套接字以及该应用程序。还存在要求转移套接字但不转应用程序的情况，例如为了重平衡多个应用程序实例之间基于连接的工作负荷。

附图说明

下面的图表示示例而不表示本发明本身。

图1是根据示例的系统的示意图。

图2是根据示例的可由图1的系统实现的方法的流程图。

图3是根据示例的另一系统的示意图。

图4是根据示例的可在图3的系统的环境中实现的方法的流程图。

具体实施方式

迁移TCP连接涉及将连接的套接字(即，端点)从迁移源网络节点向迁移目标网络节点转移。连接是用于跨网络的进程间通信流的通道。TCP套接字(socket)可以具有套接字地址，该套接字地址是网络目的地址和TCP端口号的组合。基于该套接字地址，互联网套接字向正确应用程序传送消息。

每个网络节点维护与每个连接相关的套接字状态。与连接相关的套接字状态可以包括连接的身份、TCP状态、协商的参数、序号、窗口大小以及套接字选项。套接字状态还可以包括队列的内容，队列包括：1)“接收队列”，缓存从远程网络节点接收的、尚未由本地应用节点确认的消息分组；以及2)“发送队列”，缓存从本地应用节点接收的、要发送的但尚未由远程网络节点确认的消息分组。

通常，与队列内容关联的数据量可以远远超过与套接字状态数据的其它部分关联的量(大约160字节)。当在准备故障切换过程中必须持续地将套接字状态的检查点(checkpoint)设置至备用网络节点，使得所有消息分组以及与套接字关联的消息分组的所有确认被复制至备份节点时，队列内容的量是特别成问题的。这可以对本地网络节点/源网络节点、对备份节点以及对连接本地节点/源节点和备份节点的网络造成相当大的处理和通信带宽负担。本文的示例通过减少与转移TCP队列内容副本关联的处理和带宽负担，改善网络性能。

根据示例，图1示出的本地迁移源网络节点100拖延确认从远程节点接收的消息分组，直至目的迁移源应用节点向本地网络节点确认该消息分组的接收。因此，迁移源网络节点100实现图2中以流程示出的方法200。

方法200包括：在201中，通过与远程节点的连接，接收入站消息分组；在202 中，作为响应，将该消息分组存储在接收队列中；在203中，作为响应，向本地应用节点转发该入站消息分组，并且向备份节点(其可以与应用节点一样或与迁移目标节点一样，或可以是另一节点)发送不包括被缓存的入站消息的套接字状态数据；在204 中，从本地应用节点接收对该入站消息分组的确认；以及在205中，作为响应，向发送节点发送对该入站消息分组的确认。此第二个确认是在确认应用程序对入站消息分组的接收之后发送的，而不是在传统点(即，该入站消息分组最初被接收时)发送的。注意，可以由与网络节点100不同的节点实现方法200。

为使网络节点100能够实现方法200，网络节点100包括处理器102、端口104 以及非暂时性存储介质106。端口104可以用于与远程网络节点及本地应用节点通信。介质106编码有代码108，代码108包括可执行代码，如网络节点操作系统(NN-OS) 110、用于存储套接字状态112的数据结构。该代码进一步限定：用于缓存从远程网络节点接收的入站消息分组的接收队列114，以及用于缓存沿从本地应用节点至远程网络节点的路径的出站消息分组的发送队列116。NN-OS 110可以被配置为在由处理器 102执行时实现方法200。

在向远程网络节点发送确认之前等待直至从本地应用节点收到确认为止，导致远程网络节点将消息分组保存在远程网络节点的队列中。如果本地套接字被迁移至迁移目标网络节点，则远程网络节点也许未从迁移源网络节点接收到确认。在该情况下，远程网络节点重新发送该消息分组，因此保持该连接。这样优化了对所涉及的所有网络节点的处理和通信带宽需求。

如果在发送入站消息分组之后但在确认该入站消息分组以前，本地套接字从迁移源网络节点迁移至迁移目标网络节点，则迁移源网络节点不确认该入站消息分组。在该情况下，远程网络节点重新发送该分组，该分组由迁移目标网络节点接收。作为TCP 的常规部分，每个分组包含序号，且接收网络节点丢弃具有该接收网络节点已接收的序号的分组。向迁移目标网络节点转移的套接字状态包括向该应用节点发送的最后一个序号，因此迁移目标网络节点能够丢弃任何重复的分组。

即便不从迁移源网络节点向迁移目标网络节点转移接收队列的内容，仍保持该连接。这导致减少的处理和带宽利用，甚至在计划的迁移涉及仅单个连接状态转移的情况下。如上所述，在应用节点用作备份节点的示例中，对于出站缓存消息和入站缓存消息都未由源迁移节点转移的情况，存在处理和带宽利用的额外减少。

在许多示例中，以与处理接收队列互补的方式处理发送队列。换句话说，本地网络节点拖延发送消息分组的确认，直至本地网络节点收到来自远程(网络)节点的该发送消息分组的确认。在大多数情况下，套接字状态的备份能够省略该发送队列的内容，就像其省略该接收队列的内容一样。

但是，如果本地网络节点和本地应用节点共同表示单点故障，例如，它们在同样的硬件上执行，那么在该单点故障发生时，本地应用节点可能不可用于重新发送被丢失的发送消息分组。因此，在一些示例中，对发送队列内容设置检查点，并且仅从套接字状态起省略接收内容。

注意，本文公开的方法的优势是该方法可以在远程节点不进行任何修改或了解的情况下本地实现。在用户控制本地系统但不控制远程系统(例如，远程系统可能由另一方所有)的情况下，或者在仅本地系统需要此容错级别的情况下，这是特别有用的。

网络系统300包括远程应用节点302、远程网络节点304、本地网络节点306、本地应用节点308以及迁移目标网络节点310。本地网络节点306包括处理器312、端口 314以及非暂时性存储介质316。介质316编码有可执行的网络节点操作系统(NN-OS) 318、用于存储套接字状态320的数据结构；该数据结构包括接收队列322及发送队列 324(包括接收队列和发送队列的消息分组内容)。

本地应用节点308包括处理器322、端口334以及介质336。介质336编码有代码338，代码338限定应用节点操作系统(AN-OS)340、应用程序342以及备份套接字状态数据344。NN-OS 326可以被配置为在由处理器312执行时实现方法400。在“入站”场景中，在411处，远程应用节点发送以本地应用节点为目的的消息分组。在412 中，远程网络节点接收该入站消息分组并将该入站消息分组缓存在接收队列中。

虽然可以在连接的一端实现，而不在另一端实现，但是不妨碍在远程端中的一些或全部上实现方法400(或图2的方法200)。在该情况下，远程网络(在实现时)直到从迁移源网络节点收到确认，才(向远程应用节点)确认来自远程应用节点的消息分组的收到。在方法400不在远程端实现的更典型情况下，远程网络节点可以向远程应用节点确认接收，而不等待来自远程应用节点的确认。在413中，远程网络节点向本地迁移源网络节点发送/转发该入站消息分组。

在414中，迁移源节点网络节点接收该消息分组。在415中，迁移源网络节点将该消息分组存储/缓存在该迁移源网络节点的接收队列中。此外，迁移源节点至少在其跟踪最后接收的分组的分组号的范围内更新其套接字状态。

在416中，迁移源网络节点向本地应用节点转发该消息分组。此外，迁移源网络节点可以将套接字状态复制至备份节点。如果迁移源网络节点牵涉到超过一个连接，则每个连接可以具有其自己的套接字状态。在该情况下，不同的套接字状态可以被备份至不同的备份节点，例如用于负载均衡目的。

备份节点可以是迁移目标网络节点(例如，连接要被迁移至的以及要恢复该连接的备用网络节点或其它网络节点)。但是，备份节点和迁移目标网络节点不同也是可能的，在这样的情况下，迁移需要连接状态从备份节点向迁移目标节点的二次转移。

单个连接可能具有一个以上的套接字状态备份。例如，在为应用节点故障准备时，可以备份应用节点，例如在备用应用节点上设置检查点。存储在该应用节点上的任何套接字状态备份可以在备份该应用节点时方便地再备份一次。如果活跃应用节点和活跃网络节点都出故障(例如，它们使用同样的发生故障的硬件)，则备用应用节点的硬件也能够支持迁移目标网络节点。可选地，可以从新激活的备用应用节点向迁移目标网络节点转移套接字状态。如果需要额外冗余，则此过程可以用于实现三重冗余。

在417中，应用节点(或更具体地，该应用节点的应用节点操作系统AN-OS)存储入站消息分组(入站消息分组还可以由接收应用程序消耗)。在418中，本地应用节点确认入站消息分组，并且迁移源网络节点接收该确认。在419中，迁移源网络节点向远程网络节点确认该入站消息分组。如果远程网络节点实现方法400(因此其不在 412处确认)，则远程网络可以在419中向远程应用节点转发该确认。

在场景中，在421中，迁移源网络节点可能发生故障，例如意外地发生故障。在此场景中，迁移源网络节点已经代表本地应用节点建立与远程网络节点的连接。故障发生，而此连接正在使用。鉴于上面的416，已经将迁移源网络节点的套接字状态的检查点设置给备份节点。

响应于此故障，在422中，应用节点或其它备份节点可以向迁移目标网络节点转移套接字状态。如果备份节点是迁移目标网络节点，则可以省略此转移。所转移的套接字状态可以包括与发生故障的网络节点相关的迁移源网络节点发送队列(包括已发送的消息分组)的TCP状态数据及内容或至少之前的内容。但是，所转移的套接字状态排除(不包括)迁移源网络节点接收队列的内容。换句话说，入站消息分组不包括在向迁移目标网络节点的转移中。在423中，在迁移目标网络节点上恢复连接套接字，因此完成此迁移/故障切换。

在方法400的“出站”场景中，在414中，迁移源网络节点从本地应用节点接收出站消息分组。直到迁移源网络节点从远程网络节点收到TCP确认时，迁移源网络节点才确认发送数据。在415中，迁移源网络节点将出站消息分组缓存在迁移源网络节点的发送队列中。在416中，迁移源网络节点向远程网络节点转发该出站消息分组。

根据该示例，迁移源网络节点可以响应于出站消息分组，也可以不响应于出站消息分组，对套接字状态设置检查点。在一些示例中，仅响应于出站消息分组执行检查点设置。

在出站场景中，在418中，从远程网络节点接收出站消息分组的确认。在419中，可以从迁移源网络节点的发送队列中删除该出站消息分组。此外，在419中，可以向应用节点以及向备份节点发送该确认，使得备份节点能够更新所备份的套接字状态。如果应用节点是备份节点，则一个确认可以用作对应用节点和备份节点二者的确认。

如上所述，本地应用节点可以作为备份节点。如果迁移源网络节点正在处理与不同本地应用节点相关同时存在的多个连接，则每个应用节点可以作为其使用的连接的备份节点。

另一方面，当迁移源网络节点发生故障时，如果本地应用节点可能发生故障(例如，它们使用同样的处理器硬件来执行，或它们简单地共享资源，如同样的电源)，则本地应用节点不是单独备份节点的好候选。但是，在该情况下，可以实现套接字状态的第二备份，例如从网络节点至第二备份节点实现套接字状态的第二备份，或在对应用节点设置检查点的过程中实现套接字状态的第二备份。

可以在迁移源网络节点活跃或不活跃时(例如，由于故障)发起套接字状态的转移。如果源节点活跃，则可以由可指定迁移目标网络节点的命令发起该转移；例如可以与TCP连接的端点应用程序一起迁移TCP连接，以准备组件的维护、以重新平衡虚拟化计算系统或云计算系统中的工作负荷。否则，可以自动地转移套接字状态(例如，响应于源网络节点的故障)，以预配置迁移目标网络节点，例如绕过故障的网络组件进行路由。在第二种情况下，可以持续地将迁移源节点的套接字状态备份至迁移目标网络节点或中间备份节点。

在该转移中涉及的节点是通过高速低延迟结构(即传输介质)连接的时，由该转移引起的中断可以最小化。该结构可以包括内部总线和/或具有对处理器内存的直接内存访问(DMA)的系统区网络。

在其它示例中，该方法用于通过增加多个迁移目标网络节点来实现三重冗余或更多重冗余。此外，该方法可以用于为了硬件或软件升级目的而手动地移动工作负荷。此方法可以用于为了向减少功率需求这样的资源优化目的而自动地移动工作负荷。

本文中，“系统”是一组交互的非暂时性有形元件，其中这些元件可以是(作为示例而非限制)机械组件、电气元件、原子、指令的物理编码以及程序段。本文中，“方法”指产生或涉及物理转变(例如与存储介质的内容改变对应的存储介质的物理转变) 的一系列动作。

本文中，“存储介质”指包括其上或其中具有信息的非暂时性有形材料的系统，或可以编码有包括指令和非指令型数据的信息。本文中，“处理器”指用于执行指令的硬件。处理器可以是单块器件，例如集成电路、设备的一部分(例如多核心集成电路的核心)或分散的一组设备或并置的一组设备。本文中，“通信设备”指用于通信的设备，这些设备包括网络设备及用于输入和输出的设备，例如人机接口设备。

在此说明书中，为说明，讨论相关技术。被标记为“现有技术”的相关技术(如果有)被认为是现有技术。未标记为“现有技术”的相关技术不被认为是现有技术。所说明的和其它描述的实施例及其修改和变形位于以下权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种用于转移套接字状态的系统，包括编码有代码的非暂时性存储介质，所述代码在由第一处理器执行时引起：

响应于通过与远程节点的连接接收入站消息分组，将所接收的入站消息分组缓存在迁移源网络节点的接收队列中，其中每个入站消息分组都包括序号；

从所述迁移源网络节点向应用节点转发所述入站消息分组，并且向不同于应用节点的备份节点转移套接字状态，其中所述套接字状态不包括在所述接收队列中缓存的入站消息分组，并且其中所述套接字状态包括向所述应用节点转发的最后一个序号；以及

响应于从所述应用节点接收与各个入站消息分组对应的确认，向所述远程节点发送相应的确认。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述代码：

在由所述第一处理器执行时，用以建立所述迁移源网络节点和所述远程节点之间的TCP连接，所述入站消息分组是通过所述TCP连接传递的，所述TCP连接包括所述迁移源网络节点上的本地套接字，所述套接字状态表示所述本地套接字的特征；并且

在由第二处理器执行时，用以在迁移目标网络节点上恢复所述TCP连接。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所转移的套接字状态包括出站消息分组。

4.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

所述第一处理器；以及

端口，用于从所述远程节点接收TCP入站消息分组，向所述应用节点转发入站消息分组，从所述应用节点向本地网络节点以及从所述本地网络节点向所述远程节点传递确认。

5.如权利要求1所述的系统，进一步包括：所述应用节点，所述应用节点包括编码有对应用节点操作系统进行限定的代码的非暂时性存储介质，所述应用节点操作系统跟踪所述迁移源网络节点的套接字状态。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述应用节点操作系统响应于检测到所述迁移源网络节点的故障，自动地向迁移目标网络节点转移所述套接字状态。

7.一种用于迁移TCP连接的方法，包括：

由迁移源网络节点从远程节点接收入站消息分组，其中每个入站消息分组都包括序号；

将所述入站消息分组缓存在所述迁移源网络节点的接收队列中；

向本地应用节点转发所述入站消息分组，并且向不同于本地应用节点的备份节点转移不包括接收队列内容的套接字状态，其中所述套接字状态包括向所述应用节点转发的最后一个序号；

从所述本地应用节点接收确认；以及

作为从所述本地应用节点接收确认的响应，向所述远程节点发送确认。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：在从所述远程节点接收所述入站消息分组之前，建立与所述远程节点的连接，所述连接包括具有所述套接字状态的套接字，其中，所述接收确认包括从所述备份节点接收收到所述套接字状态的确认。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述备份节点包括迁移目标网络节点。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

从所述备份节点向迁移目标网络节点转移所述套接字状态；以及

基于所转移的套接字状态，使用套接字恢复所述连接。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述备份节点是不同于所述迁移目标网络节点的节点。

12.如权利要求10所述的方法，其中，从所述备份节点向所述迁移目标网络节点转移所述套接字状态是响应于检测到所述迁移源网络节点的故障而自动地发生的。

13.如权利要求10所述的方法，其中，所述转移和所述恢复是按照确定所述转移和所述恢复会有利地重新平衡工作负荷而发生的。

14.如权利要求10所述的方法，其中，进一步包括增加至少一个附加迁移目标网络节点，以创建三重或更多重冗余。

15.一种用于迁移TCP连接的方法，包括：

响应于在迁移源网络节点正在管理应用节点的TCP连接时迁移源网络节点发生故障，从备份节点向迁移目标网络节点转移所述连接的套接字状态数据；以及

在所述迁移目标网络节点上恢复所述TCP连接；

其中所转移的套接字状态数据包括所述迁移源网络节点的发送队列的内容以及从所述迁移源网络节点向所述应用节点转发的最后一个入站消息分组的序号，并且不包括所述迁移源网络节点的接收队列的内容，并且

其中所述迁移源网络节点的接收队列的内容从远程节点被重新发送到所述迁移目标网络节点。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述应用节点是所述备份节点。