CN104852869B - 一种端口聚合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种端口聚合方法及装置，应用于以太网交换机上，其中该方法包括：创建虚拟端口作为聚合口；根据成员芯片所使用的Hash算法中的每一个Hash值对成员芯片上预定的基准队列进行偏移计算，为每个成员芯片生成若干出口队列；按照预定分担算法生成出口队列到成员物理端口的队列映射表项；并向每个成员芯片队列下发所述队列映射表项；向每个成员芯片下发虚拟端口映射到基准队列的单播标签表项；向每个成员芯片下发针对基准队列的偏移参数，其中该偏移参数为报文的Hash值。相较于现有技术而言，本发明能够极大地提升以太网交换机能提供的聚合口的数量，对于数据中心等对于聚合口需求较大的应用场景意义重大。

Description

一种端口聚合方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种端口聚合方法及装置。

背景技术

以太网链路聚合技术通过将多条以太网物理链路捆绑在一起成为一条逻辑链路，一方面该技术可以实现增加链路带宽的目的。另外一方面，这些捆绑在一起的链路通过相互间的动态备份，可以有效提高链路的可靠性。在具体实现上，可以通过以太网交换芯片自带的聚合功能来创建聚合组，这些以太网芯片能够支持的聚合组个数与芯片的设计规格有关。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种端口聚合装置，应用于以太网交换机上，其中该以太网交换机至少包括两个以太网交换芯片，其中该装置包括：

聚合管理单元，用于根据选定的分布在M个成员芯片上的N个成员物理端口创建对应的虚拟端口作为聚合口，其中该虚拟端口在交换机全局是唯一的；M和N均为大于或等于2的自然数；

队列计算单元。用于根据成员芯片所使用的Hash算法中的每一个Hash值对成员芯片上预定的基准队列进行偏移计算，为每个成员芯片生成P个出口队列；其中P为该Hash算法中所有Hash值的数量；

资源分配单元，用于按照预定分担算法生成P个出口队列到N个成员物理端口的队列映射表项；并向每个成员芯片队列下发所述队列映射表项；

路径调度单元，用于向每个成员芯片下发虚拟端口映射到基准队列的单播标签表项；并向每个成员芯片下发针对基准队列的偏移参数，其中该偏移参数为报文的Hash值。

本发明还提供一种端口聚合方法，应用于以太网交换机上，其中该以太网交换机至少包括两个以太网交换芯片，其中该方法包括：

A，根据选定的分布在M个成员芯片上的N个成员物理端口创建对应的虚拟端口作为聚合口，其中该虚拟端口在交换机全局是唯一的；M和N均为为大于或等于2的自然数；

B，根据成员芯片所使用的Hash算法中的每一个Hash值对成员芯片上预定的基准队列进行偏移计算，为每个成员芯片生成P个出口队列；其中P为该Hash算法中所有Hash值的数量；

C，按照预定分担算法生成P个出口队列到N个成员物理端口的队列映射表项；并向每个成员芯片队列下发所述队列映射表项；

D，向每个成员芯片下发虚拟端口映射到基准队列的单播标签表项；并向每个成员芯片下发针对基准队列的偏移参数，其中该偏移参数为报文的Hash值。

相较于现有技术而言，本发明能够极大地提升以太网交换机能提供的聚合口的数量，对于数据中心等对于聚合口需求较大的应用场景意义重大。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中端口聚合装置的逻辑结构与硬件环境图；

图2是本发明一种实施方式中端口聚合方法的流程图；

图3是本发明一种实施方式中报文在芯片上的转发过程示意图；

图4是本发明一种实施方式中两个交换机之间通过聚合口相连的示意图。

具体实施方式

本发明在控制层面提供一种聚合方案来提高聚合技术的可扩展性以及灵活性。请参考图1，以计算机程序实现为例，本发明提供一种端口聚合装置，该装置运行于以太网交换机上，该以太网交换机在硬件层面上包括处理器、内存、非易失性存储器、多个以太网交换芯片（以下简称“芯片”）以及其他硬件，该些硬件可以通过总线或其他方式相连。所述端口聚合装置在逻辑层面可以理解为，处理器将相应的计算机程序读取到内存中运行所形成的逻辑装置。在逻辑意义上，该装置包括：聚合管理单元、队列计算单元、资源分配单元以及路径调度单元。请参考图2，所述装置在交换机控制层面上运行，在运行过程中执行如下的处理流程。

步骤101，聚合管理单元根据管理者选定的分布在M个成员芯片上的N个成员物理端口创建对应的虚拟端口作为聚合口，其中该虚拟端口在交换机全局是唯一的；N为大于或等于2的自然数，M为大于或等于1的自然数；

步骤102，队列计算单元根据成员芯片所使用的Hash算法中的每一个Hash值对成员芯片上预定的基准队列进行偏移计算，为每个成员芯片生成P个出口队列；其中P为该Hash算法中所有Hash值的数量；

步骤103，资源分配单元按照预定分担算法生成P个出口队列到N个成员物理端口的队列映射表项；向每个成员芯片的队列映射表中下发所述映射表项；

步骤104，路径调度单元向每个成员芯片的单播标签表中下发虚拟端口映射到基准队列的单播标签表项；并向每个成员芯片下发针对基准队列的偏移参数，其中该偏移参数为报文的Hash值。

在传统技术中，交换机的软件开发人员往往使用以太网交换芯片（也被开发者称为“物理设备”）自带的聚合功能来创建聚合口。这种方式的好处是，聚合的实体功能事实上已经在芯片中实现了，开发者只需要将用户指定的物理端口告知每个芯片即可；这些芯片即可按照既定的方式来完成聚合口到实际物理口的映射。这种方案的好处在于实现简单，开发者只需要开发面向交换机管理者的聚合管理界面即可。但是在数据中心这种高密度的大型网络场景就会遭遇到规格瓶颈。

以太网交换芯片的聚合规格是不可更改的硬件资源，就好象CPU的一级缓存的规格一样，同样是系统开发者没有办法更改的。假设一台以太网交换机所采用的芯片的聚合规格均是256。假设每个聚合口的成员数量是8，那么在这台以太网交换机可以创建的聚合口的上限是256/8=32；假设每个聚合的成员数量是16，那么在这台以太网交换机可以创建的聚合口的上限是256/16=16。假设该交换机的物理端口数量是512，那么其他256个物理端口则无法形成聚合口。由于芯片的聚合规格的存在，这导致传统技术中，聚合口的数量是有限制的，其极限值是X/2；其中X为聚合规格；同时若整个交换机的端口数量为Y，那么Y-X个物理端口将无法使用聚合来形成更多个聚合口。而本发明利用虚拟端口机制并辅以VOQ队列等资源的管理与分配，实现聚合实体功能，由于队列的数量往往是比较富裕的，因此能够从实际上大大扩展了聚合口的数量。以下通过更为详尽的实施方式来介绍本发明的有点。

请参考图1以及图3，对于一台以太网交换机而言，其通常包括一个或多个芯片（Device）；而每个芯片通常又包括多个物理端口（Port）。从全局的角度来看Device1（D1）的Port1的可以标记为D1P1，而Device2的Port1可以标记为D2P1。也就是说一个物理端口的标识通常包括了其所在芯片的编号以及该端口在芯片本地的编号。本领域的开发者通常以芯片的设备号和端口号的组合来在交换机全局唯一标识一个物理端口。

本发明是在控制层面上打通一条聚合口到多个物理端口的报文分担路径。所谓聚合口事实上就是前述的虚拟端口，只不过开发者完全可以按照现有的方式来组织面向管理者的管理界面。也就是说原有的聚合管理界面在本发明中同样可以使用，比如说管理者创建聚合口a，这是管理者可以看到的概念，其管理的对象是聚合口a，而对于交换机的控制层面而言，其事实上创建的是虚拟端口b。交换机只需要保存虚拟端口b与聚合口a的对应关系，保证用户管理聚合口a时，交换机能够准确地操作虚拟端口b。关于管理界面的开发适配不再一一赘述，本领域普通技术人员可以参考已有技术加以实现。以下先以单播报文的处理为例，介绍这条路径打通的过程。

请参考图3，以太网交换机中每个芯片对于进入交换机的报文的转发是基于目的MAC地址进行的，比如说报文从D1上的P1进入，那么D1则会使用该报文的目的MAC地址在MAC地址表中查找该报文的出端口，这个出端口可以是实际的物理端口，也可以是虚拟端口。假设D1针对一个报文查找MAC地址转发表之后发现与其目的MAC地址对应的出端口是D2上的P2。那么D1查表之后会将报文通过芯片之间的通道发送给D2，并携带上查表结果，由D2从其本地的端口P2将报文发送出去。这也就是说对报文的查表转发是在入口的芯片上进行的。报文进入芯片查找MAC地址表的过程在本发明中是没有变化的。变化的是，本发明将虚拟端口放在转发层面来对转发过程屏蔽成员物理端口。请参考图3的示例，在该例子中，报文进入D1之后进行查表，如果查表的结果刚好是步骤101中创建的作为聚合口使用的虚拟端口D100P100，那么芯片将报文送往D100P100。由于D100P100并不是一个真实的物理端口，因此本发明为其分配一个基准队列，以VOQ（虚拟输出队列，Virtual Output Queue）队列为例，假定为VOQ200。由于步骤104中为D1创建了对应的单播标签表项，那么芯片在此查询单播标签表（请参考表1示例）即可命中VOQ200。

表1

请继续参考图3，一个虚拟端口分配了一个VOQ队列之后，通常从该VOQ队列出方向对应的真实物理端口发送出去。一种最为典型的应用就是在堆叠系统中通过虚拟端口实现跨成员交换机转发。在本发明中这个基准VOQ队列虽然对应于虚拟端口，但报文并不一定进入该基准VOQ队列。请参考表2的示例，本发明首先基于基准VOQ队列计算出一个出口VOQ队列集合，表2中VOQ队列集合中的每个出口VOQ队列的队列号是基于芯片Hash算法的Hash值+基准VOQ队列的队列号计算出来的。假设Hash值是2个bit，那么Hash值通常是0，1，2，3四个值。此时VOQ200中的队列号200=200+0，VOQ200中的队列号201=200+1。事实上芯片的Hash算法计算出的Hash值可以占据更多的bit，比如4个bit，此时对应的Hash值则有16个，此时根据基准VOQ队列可计算出来16个VOQ队列（包括基准VOQ队列自身）。

为了使得流量中的多个报文能够真正分散到D1P1、D1P2、D2P1以及D2P2。本发明在控制层面上继续向每个芯片的VOQ队列映射表下发相同的VOQ队列映射表项。在完成虚拟端口VOQ队列集合计算的基础上，控制层面按照一个预定的分担算法建立出口VOQ队列与D1P1、D1P2、D2P1以及D2P2的映射关系，将这个映射关系作为表项下发到VOQ队列映射表中，该表的索引是VOQ队列的队列号，而内容则是物理端口标识，比如D1P1。在本实施方式中，由于VOQ队列数量与管理者选定的成员物理端口数量相同，那么上述每个端口与一个VOQ队列建立一一映射关系。当然在实际使用过程中，开发人员指定的端口数量并不一定与VOQ队列集合中队列数量相同，假设前者为N，后者为P。一般情况下N小于或等于P。此时可以按照一个取余或类似的方式建立VOQ队列与物理端口的映射关系；比如说第i个VOQ队列的出口指向第i%N个物理端口，具体过程不再赘述。

出口VOQ队列	成员物理端口
		VOQ200	D1P1
VOQ201	D2P1
		VOQ202	D1P2
VOQ203	D2P2

表2

事实上出口VOQ队列可以理解为通往实际物理端口的路径。一旦出口VOQ队列确定下来，那么就可以根据表2确定出对应的物理端口。表2中的映射关系建立好并下发给对应的芯片之后只是确保了报文进入某个出口VOQ队列就能从对应的物理端口被发送出去。接下来，控制层面仍然需要引导报文相对均匀地进入到表2中的各个出口VOQ队列中来。在本发明中控制层面继续向各个成员芯片下发针对基准VOQ队列的偏移参数。一般来说，VOQ队列的偏移参数是芯片能够获得或计算出来的参数，比如一个固定的数值，或者是ACL（访问控制列表）指定的数值，在本发明中，控制层面向芯片指定的偏移参数是报文的Hash值。请继续参考图3，如前所述，假设报文进入D1，查MAC地址转发表得到出口为D100P100，然后查找单播标签表得到一个基准VOQ队列200，在此基础上，芯片根据控制层面的配置对基准VOQ队列进行偏移，先计算出报文的Hash值，然后加上基准VOQ队列得到当前报文的出口VOQ队列。如果报文的Hash值是0，那么出口VOQ队列就是VOQ200，而如果报文的Hash值是1，那么出口VOQ队列就是VOQ201。

在图3中，在D1处理过程中，对于Hash值为0或2的报文最终会进入到VOQ200以及VOQ202，由于VOQ200以及VOQ202对应于D1中的P1和P2两个本地端口，于是这些报文会从D1P1以及D1P2离开交换机，转发过程完成。对于Hash值为1或3的报文最终会进入到VOQ201以及VOQ203，由于VOQ201以及VOQ203对应于D2中的P1和P2两个端口。由于这两个端口是异地端口，于是报文会被D1通过芯片间通道送往芯片2，同时会携带上该报文的出口信息。芯片2通过芯片间通道接收到该报文之后可以根据出口信息从对应的D2P1以及D2P2将报文发送出去。

以上描述了报文从D1进入之后如何经过处理而离开交换机的，从以上的描述中可以看出，由于控制层面对芯片的控制处理，使得大量出口一致（比如都是D100P100）的报文能够相对均匀地从管理者指定的多个成员端口上发送出去。在这个过程中完全没有使用芯片自带的聚合功能，但在本质上却实现了聚合口的功能。更值得注意的是，由于本发明所使用的资源主要是虚拟端口以及VOQ队列，虚拟端口数量一般不受限制，而VOQ队列的数量通常远远大于芯片聚合口的规格，比如几K，几十K，甚至更多。这意味着使用本发明的情况下，可以大大增加聚合口的数量。本发明的聚合口实现可以与现有芯片自带聚合功能一起使用，这无疑更是加大了聚合口数量。绝大多数情况下可以满足管理者对聚合口的数量要求，使得聚合口的数量能够达到极限值。甚至如果应用场景许可，不使用芯片自带聚合功能，仅仅使用本发明，也能够使得聚合口的数量达到极限值。在数据中心这样的应用场景下实施本发明，交换机的管理者不再被芯片聚合规格所限制，可以根据自身需要来部署聚合。

以上过程中描述了单播转发的过程是如何通过控制层面的规划而实现的。对于单播业务处理而言，转发的另一面则是地址学习。地址学习相对于转发而言是反向的，其学习的是报文的源MAC地址。如前所述由于转发过程面向的出口是虚拟端口，那么地址学习过程面向的入口也是该虚拟端口。比如说报文从D1P1进入，其按照相反的路径进入到单播转发环节，单播转发环节会按照报文的入口进行地址学习，由于配置的D100P100这样的虚拟端口，那么D1的单播转发环节会认为报文的入口是D100P100，于是就会学习生成对应的MAC地址转发表项。而新学到的MAC地址转发表项会在控制层面的协调下同步到交换机其他芯片中去，更多关于地址学习的过程不再一一详述。

进一步来说，考虑到网络上除了单播报文以外，还可能存在组播或广播等多播报文。芯片聚合对于单播报文与组播报文处理是不同的。对于多播报文转发过程而言，芯片并不关注虚拟端口，而是关注和面向具体的物理端口。请参考图4，由于本交换机S1的聚合口同样连接到对端交换机S2的聚合口，两者之间事实上可以理解为一条链路，即聚合链路。以组播报文问题，当需要将一个组播报文从S1转发给S2时，只需要转一份组播报文即可。然而在物理层面上，芯片内部的组播出口往往会包括了多个成员物理端口。芯片进行组播转发时会将报文复制N份，从N个成员物理端口都发送一份给对端的S2，这样对于S2而言显然是多余的。为了避免S2收到多余的N-1份组播报文。本发明所述端口聚合管理装置进一步包括多播管理单元。该多播管理单元，用于向成员芯片的组播过滤表中下发针对成员端口的多播允许Hash值，其中每个成员物理端口的多播允许Hash值为计算该成员端口对应的出口VOQ队列时所使用的Hash值。

请参考表3，图3以及图4，表3是对表2过程的计算分解，目标是得到允许Hash值。在本发明的处理中，一个成员物理端口对应至少一个Hash值，而一个Hash值只能对应一个成员物理端口。在本实施方式中，每个物理端口唯一对应一个Hash值。由于任意一个报文其Hash值是0-3中的任意一个，因此为了使得组播报文只转发一份，那么一个Hash值（代表当前组播报文）只能映射到一个成员物理端口上去。请参考表4，由于下发给成员物理端口的多播允许Hash值是该端口在表4中对应的Hash值，那么如果一个组播报文的Hash值是0，那么虽然其被复制了4份分别送往D1P1、D1P2、D2P1以及D2P2，但是由于只有D1P1的允许Hash值为0，因此报文在D1P1会被芯片允许通过，在其他3个端口则会被过滤丢弃掉。这样，无论组播报文的Hash值如何变化，S2只会收到一份组播报文，避免了重复的组播报文的发送。

表3

成员物理端口	多播允许Hash值
		D1P1	0
D2P1	1
		D1P2	2
D2P2	3

表4

进一步来说，考虑到成员物理端口可能会出现各种故障（比如链路故障）的问题。本发明针对这样的问题有一进步的优化措施。本发明所述端口聚合管理装置进一步包括故障检测单元，用于检测成员物理端口的状态，以确定是否发生故障事件或故障恢复事件，比如链路断裂/恢复事件等，在成员物理端口发生故障事件或故障恢复事件时，更新成员物理端口数量，比如说更新为N-1，并通知资源分配单元重新生成和下发VOQ队列映射表项。请参考表2以及图3，假设D1P1发生链路故障，此时返回步骤103处，由资源分配单元重新计算出表5，再将表5下发到D1。这样一来原来Hash值为0需要通过D1P1发送的单播报文将通过D1P2发送。当然这里的重新计算只是示例性的，如果采用不同的算法，则可能会产生不一样的结果，但本质都是将出现故障端口的流量迁移到其他端口上，最终采用何种算法，本领域普通技术人员可以根据实际需要选取。

出口VOQ队列	成员物理端口
		VOQ200	D1P2
VOQ201	D2P1
		VOQ202	D1P2
VOQ203	D2P2

表5

基于同样的道理，在检测到成员物理端口故障事件或故障恢复事件时，故障检测单元通知多播管理单元重新向成员芯片的组播过滤表中下发针对成员端口的多播允许Hash值，更新结果如表6所示。由于多播管理单元下发的多播允许Hash值是为计算该成员端口对应的出口VOQ队列时所使用的Hash值，由于计算VOQ队列与成员物理端口之间的对应关系发生了变化，因此多播管理单元将原来下发故障端口D1P1对应的多播允许Hash值0下发给D1P2，这样一来Hash值为0的组播报文又可以通过D1P2发送出去了。当然如果所有成员物理端口都出现故障的时候，则可以上报聚合口Down事件给管理者。而故障恢复事件的处理过程，则与上述处理过程的原理一致，同样是重新刷新的过程，不再一一详述。

成员物理端口	多播允许Hash值
		D2P1	1
D1P2	0，2
		D2P2	3

表6

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 (10)

1.一种端口聚合装置，应用于以太网交换机上，其中该以太网交换机至少包括两个以太网交换芯片，其特征在于，该装置包括：

聚合管理单元，用于根据选定的分布在M个成员芯片上的N个成员物理端口创建对应的虚拟端口作为聚合口，其中该虚拟端口在交换机全局是唯一的；M和N均为大于或等于2的自然数；

队列计算单元，用于根据成员芯片所使用的Hash算法中的每一个Hash值对成员芯片上预定的基准队列进行偏移计算，为每个成员芯片生成P个出口队列；其中P为该Hash算法中所有Hash值的数量；

资源分配单元，用于按照预定分担算法生成P个出口队列到N个成员物理端口的队列映射表项；并向每个成员芯片的队列映射表下发所述队列映射表项；

路径调度单元，用于向每个成员芯片下发虚拟端口映射到基准队列的单播标签表项；并向每个成员芯片下发针对基准队列的偏移参数，其中该偏移参数为报文的Hash值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基准队列为虚拟输出队列VOQ。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

多播管理单元，用于向成员芯片的组播过滤表中下发针对成员端口的多播允许Hash值，其中每个成员物理端口的多播允许Hash值为计算该成员端口对应的出口队列时所使用的Hash值。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：

故障检测单元，用于检测成员物理端口的状态，当检测到成员物理端口故障事件或故障恢复事件时，更新成员物理端口数量，并通知所述资源分配单元重新生成和下发所述队列映射表项。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：

故障检测单元，进一步用于在检测到成员物理端口故障事件或故障恢复事件时，更新成员物理端口数量，并通知多播管理单元重新向成员芯片的组播过滤表中下发针对成员端口的多播允许Hash值。

6.一种端口聚合方法，应用于以太网交换机上，其中该以太网交换机至少包括两个以太网交换芯片，其特征在于，该方法包括：

A，根据选定的分布在M个成员芯片上的N个成员物理端口创建对应的虚拟端口作为聚合口，其中该虚拟端口在交换机全局是唯一的；M和N均为为大于或等于2的自然数；

B，根据成员芯片所使用的Hash算法中的每一个Hash值对成员芯片上预定的基准队列进行偏移计算，为每个成员芯片生成P个出口队列；其中P为该Hash算法中所有Hash值的数量；

C，按照预定分担算法生成P个出口队列到N个成员物理端口的队列映射表项；并向每个成员芯片的队列映射表下发所述队列映射表项；

D，向每个成员芯片下发虚拟端口映射到基准队列的单播标签表项；并向每个成员芯片下发针对基准队列的偏移参数，其中该偏移参数为报文的Hash值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基准队列为虚拟输出队列VOQ。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

E，向成员芯片的组播过滤表中下发针对成员端口的多播允许Hash值，其中每个成员物理端口的多播允许Hash值为计算该成员端口对应的出口队列时所使用的Hash值。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

F，检测成员物理端口的状态，当检测到成员物理端口故障事件或故障恢复事件时，更新成员物理端口数量，并重新生成和下发所述队列映射表项。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中F步骤还包括：

在检测到成员物理端口故障事件或故障恢复事件时，更新成员物理端口数量，并重新向成员芯片的组播过滤表中下发针对成员端口的多播允许Hash值。