CN108616456A - 一种基于vxlan的负载均衡方法及负载均衡器 - Google Patents

一种基于vxlan的负载均衡方法及负载均衡器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于VXLAN的负载均衡方法及负载均衡器，其中的方法包括：LB接收客户端发送的数据请求包；LB根据预设的负载均衡算法确定数据请求包应发往的VM的MAC地址、VM所属的VTEP的IP地址和VNI；LB对请求包进行目的MAC地址转换处理；LB根据IP地址和VNI，对经过目的MAC地址转换处理的数据请求包进行VXLAN封装，生成VXLAN报文并发送到VTEP。本发明的有益效果是：1.负载均衡器处在物理网络环境，后端处在基于VXLAN的虚拟网络环境，且虚拟网络环境可以是物理网络环境的overlay网络，物理网络环境和虚拟网络环境完全是二层隔离的；2.数据包的请求路径和响应路径可以不对称，且请求入口和响应出口可以是不同的网关，即负载均衡器不会成为中心瓶颈。

Description

一种基于VXLAN的负载均衡方法及负载均衡器
技术领域
本发明涉及计算机网络通信领域，具体涉及一种基于VXLAN的负载均衡方法及负载均衡器。
背景技术
通过IP网络地址转换(IP Network Address Translation,IP NAT)技术实现的负载均衡器，可以将业务按照某种均衡策略将请求分散到多个后端的内网服务上，但有三个缺点：1.部署不灵活，负载均衡器和后端需要在同一个二层网上；2.负载均衡器是中心节点，出入流量都需要经过它，容易成为性能瓶颈；3.在软件定义网络(Software DefinedNetwork,SDN)里，提供面向多租户的负载均衡服务时，IP NAT不支持不同租户的内网IP地址复用。
通过MAC网络地址转换(MAC Network Address Translation,MAC NAT)技术实现的负载均衡器，可以将业务按照某种均衡策略将请求分散到多个后端的内网服务上，但有一个缺点：部署不灵活，负载均衡器和后端需要在同一个二层网上，无法在强隔离(二层隔离)的网络环境中提供服务。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于VXLAN的负载均衡方法及负载均衡器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于VXLAN的负载均衡方法，该方法包括：
负载均衡器LB接收客户端发送的数据请求包；
所述LB根据预设的负载均衡算法确定所述数据请求包应发往的虚拟主机VM的MAC地址、所述VM所属的虚拟可扩展局域网隧道端点VTEP的IP地址和虚拟可扩展局域网网络标识VNI；
所述LB对所述请求包进行目的MAC地址转换处理，使得所述数据请求包的目的MAC地址为所述VM的MAC地址；
所述LB根据所述IP地址和VNI，对所述经过目的MAC地址转换处理的数据请求包进行虚拟可扩展局域网VXLAN封装，生成VXLAN报文并发送到所述VTEP。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种负载均衡器，包括接收模块、确定模块、转换模块和封装模块；
所述接收模块，用于接收客户端发送的数据请求包；
所述确定模块，用于根据预设的负载均衡算法确定所述数据请求包应发往的虚拟主机VM的MAC地址、所述VM所属的虚拟可扩展局域网隧道端点VTEP的IP地址和虚拟可扩展局域网网络标识VNI；
所述转换模块，用于对所述请求包进行目的MAC地址转换处理，使得所述数据请求包的目的MAC地址为所述VM的MAC地址；
所述封装模块，用于根据所述IP地址和VNI，对所述经过目的MAC地址转换处理的数据请求包进行虚拟可扩展局域网VXLAN封装，生成VXLAN报文并发送到所述VTEP。
本发明的有益效果是：
1.负载均衡器处在物理网络环境，后端的虚拟主机处在基于VXLAN的虚拟网络环境，且虚拟网络环境可以是物理网络环境的overlay网络，物理网络环境和虚拟网络环境完全是二层隔离的；
2.数据包的请求路径和响应路径可以不对称，且请求入口和响应出口可以是不同的网关，即负载均衡器不会成为中心瓶颈。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于VXLAN的负载均衡方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于VXLAN的负载均衡方法中步骤120的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于VXLAN的负载均衡方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
110、负载均衡器LB接收客户端发送的数据请求包；
120、LB根据预设的负载均衡算法确定数据请求包应发往的虚拟主机VM的MAC地址、VM所属的虚拟可扩展局域网隧道端点VTEP的IP地址和虚拟可扩展局域网网络标识VNI；
130、LB对请求包进行目的MAC地址转换处理，使得数据请求包的目的MAC地址为VM的MAC地址；
140、LB根据IP地址和VNI，对经过目的MAC地址转换处理的数据请求包进行虚拟可扩展局域网VXLAN封装，生成VXLAN报文并发送到VTEP。
可选地，如图2所示，在该实施例中，步骤120具体包括：
1201、LB根据预设的负载均衡算法确定数据请求包应发往的VM所属的VTEP的IP地址；
1202、LB根据IP地址确定VM的MAC地址和VNI。
相应地，本发明实施例提供的一种负载均衡器，该负载均衡器包括：
接收模块，用于接收客户端发送的数据请求包；
确定模块，用于根据预设的负载均衡算法确定数据请求包应发往的虚拟主机VM的MAC地址、VM所属的虚拟可扩展局域网隧道端点VTEP的IP地址和虚拟可扩展局域网网络标识VNI；
转换模块，用于对请求包进行目的MAC地址转换处理，使得数据请求包的目的MAC地址为VM的MAC地址；
封装模块，用于根据IP地址和VNI，对经过目的MAC地址转换处理的数据请求包进行虚拟可扩展局域网VXLAN封装，生成VXLAN报文并发送到VTEP。
可选地，在该实施例中，确定模块包括第一确定单元和第二确定单元；
第一确定单元，用于根据预设的负载均衡算法确定数据请求包应发往的VM所属的VTEP的IP地址；
第二确定单元，用于根据IP地址确定VM的MAC地址和VNI。
下面以具体的报文转发过程为例子，描述本方案的工作过程：
首先简要介绍本发明实施例中应用的VXLAN和MAC DNAT的原理：
1.VXLAN原理
VXLAN是一种overlay的网络技术，使用MAC in UDP的方法进行封装，使得虚拟网络可以在物理网络之上传输。在SDN技术中，VXLAN常用于提供多租户的、与物理网络隔离的虚拟网络环境。
VXLAN封装后的报文中包含两个报文头：物理网络报文头和虚拟网络报文头，和VNI用于标识虚拟网络报文对应的网络ID。其中物理网络报文头用于在物理网络中将报文送达目标的服务器(通常是物理机)。服务器收到报文后，会拿到VNI,并去掉报文中VXLAN封装部分，根据VNI的值，转发报文到对应的虚拟交换机的VTEP端口，然后根据虚拟网络报文头的目标MAC地址，转发至对应的虚拟交换机端口。
2.MAC DNAT原理
客户端发送请求给负载均衡器物理网络地址，负载均衡器会将该请求的目的MAC改为负载均衡器虚拟网络后端的MAC地址，并通过VXLAN封包与解包，转发到虚拟网络后端。
假设：客户端C，负载均衡器为L，负载均衡器的物理网络IP地址为V，MAC地址为M，负载均衡器后端为X，对应的MAC地址为N。
为了便于说明MAC DNAT原理，再假设C与V在同一个二层网。
1)C发送目标IP地址为V，目标MAC地址为M的请求到L；
2)L将该请求帧的目标MAC地址由M改为N，转发给虚拟网络后端X。
下面详细描述本方案的工作过程：
涉及到几个IP地址：
客户端：169.254.1.1
负载均衡器IP：169.254.1.11(即169.254.1.0/24表示公网地址)
负载均衡器的MAC地址：52:54:50:39:84:d2
负载均衡器其中一个后端虚拟主机的MAC地址：52:54:c8:64:6c:e4
负载均衡器上会有如下规则：
以上述为例，该规则说明：存在一个负载均衡器【负载均衡器1】，其公网地址为169.254.1.11/24，对应的MAC地址为52:54:50:39:84:d2，且提供TCP 80端口的服务，该负载均衡器的均衡策略为source-hash(“源地址哈希”算法)。
注：均衡策略可以是任意的均衡策略，为了方便行文，此处以source-hash为例。
负载均衡器1的后端列表：
以上述为例，该规则说明：负载均衡器【负载均衡器1】有两个后端，分别为：
·【后端1】，其虚拟网络MAC地址为52:54:c8:64:6c:e4，且提供TCP80端口服务，该虚拟主机所在的underlay物理网络地址为192.168.123.11，vni为2；
·【后端2】，其虚拟网络MAC地址为52:54:c8:32:5f:33，且提供TCP80端口服务，该虚拟主机所在的underlay物理网络地址为192.168.123.13，vni为3。
注：VNI可以是任意合法的VNI(1～2^24)，表示后端虚拟主机所处的虚拟网络。为了方便行文，此处以2/3为例。
后端1所在的物理网络的VXLAN接收转发规则：
VNI MAC 虚拟网络网卡
2 52:54:c8:64:6c:e4 后端1
以上述为例，该规则说明，虚拟网络网卡【后端1】对应的VXLAN终端的网卡(既可以是交换机，也可以是宿主机)接收到VNI为2的VXLAN包后，对VXLAN进行解封，如果解封后的数据帧目标MAC地址是52:54:c8:64:6c:e4，就把该数据帧转发到【后端1】所在的虚拟网络网卡。
后端1主机内的本地IP列表：
IP地址 网卡
198.19.0.223/24 eth0
169.254.1.11/32 lo
该规则说明，【后端1】主机上有两张网卡(虚拟网络网卡)：网卡eth0绑定了IP地址198.19.0.223/24；网卡lo绑定了IP地址169.254.1.11/32，保证【后端1】主机接收到目标IP为负载均衡器IP的数据帧时，能被内核正常接收及处理。
后端1主机内的路由表：
目标网段 网卡 下一跳地址 下一跳地址的MAC
198.19.0.0/24 eth0 - -
0.0.0.0 eth0 169.254.1.111 52:54:94:11:b7:44
以上述为例，该规则说明，对于目标IP在198.19.0.0/24网段的数据包，从eth0直接发出；目标IP在其它网段(0.0.0.0为默认路由)的数据包，从eth0发往下一跳地址169.254.1.111(该发明中，负载均衡器出入流量可以经过不同网关，所以此处的下一跳地址不必是负载均衡器的地址)。
后端1所在的物理网络的VXLAN发送转发规则：
接收端口 目标MAC地址 网关IP VNI
后端1 52:54:94:11:b7:44 192.168.123.111/24 1
以上述为例，该规则说明，当从虚拟网络网卡【后端1】收到发往目标MAC为52:54:94:11:b7:44的数据帧时，都将其使用VNI 1进行VXLAN封包，并转发到网关192.168.123.111。
网关192.168.123.111的本地IP列表：
IP地址 网卡
169.254.1.111/24 eth0
192.168.123.111/24 eth1
以上述为例，该规则说明，网关192.168.123.111是一个公网网关(可以是x86服务器或者交换机或者其它网络设备)，连着两个网络：公网和内网。公网为eth0上的169.254.1.111/24，与负载均衡器地址属于同一个网段。内网为eth1上的192.168.123.111/24，表示该网关和【后端1】所在的物理网络是连通的。
网关192.168.123.111的本地路由规则：
目标网段 网卡 域
169.254.1.0/24 eth0 local
以上述为例，该规则说明，当该网关收到目标IP地址所在网段为169.254.1.0/24的数据帧时，直接通过eth0口转发出去。
下面以请求从客户端发到【负载均衡器1】，再由【负载均衡器1】根据“source-hash”策略，经过vxlan封包，最终转发到【后端1】的过程为例，说明负载均衡器的工作过程。
步骤一：客户端发目标端口为80的TCP请求给169.254.1.11；
步骤二：【负载均衡器1】收到数据请求包；
52:54:50:39:74:e2>52:54:50:39:84:d2,169.254.1.1.55356>169.254.1.11.80TCP
步骤三：【负载均衡器1】根据“source-hash”转发策略确定数据请求包应发往的后端所属的VTEP的IP地址，即对应的underlay物理网络地址，查询“负载均衡器1的后端列表”，获取到虚拟网络MAC地址和VNI，并转发到虚拟网络【后端1】。负载均衡器1将数据请求包解包得到数据帧，将数据帧中的目的地址从负载均衡器的MAC改为了后端的MAC地址，完成MAC DNAT过程，源IP、目标IP不变化；
52:54:50:39:84:d2>52:54:c8:64:6c:e4,169.254.1.1.55356>169.254.1.11.80TCP
步骤四：【负载均衡器1】根据“负载均衡器1的后端列表”中【后端1】的规则，进行vxlan封包。该报文有两层：a.从【负载均衡器1】转发到【后端1】的包，即“169.254.1.1.55356>169.254.1.11.80”的内容，以及b.【负载均衡器1】将该包以VNI 2的VXLAN协议封装，并转发到【后端1】所在的物理网络的包；
IP 192.168.123.112.50623>192.168.123.11.4789:VXLAN,vni 2
169.254.1.1.55356>169.254.1.11.80TCP
至此，负载均衡器1完成对数据请求包的负载均衡处理过程；
步骤五：【后端1】的物理网络收到的vxlan封包，报文含义与步骤四的报文相同；
IP 192.168.123.112.50623>192.168.123.11.4789:VXLAN,vni 2
169.254.1.1.55356>169.254.1.11.80TCP
步骤六：【后端1】的物理网络，识别到该VXLAN的VNI为2，再根据“后端1所在的物理网络的VXLAN接收转发规则”，解包，并转发到【后端1】。解包后，源IP是客户端的IP，即169.254.1.1，目标IP仍旧是负载均衡器IP，即169.254.1.11；
52:54:50:39:84:d2>52:54:c8:64:6c:e4,169.254.1.1.55356>169.254.1.11.80TCP
步骤七：【后端1】查询“后端1主机内的本地IP列表”，识别到169.254.1.11是本地IP地址，于是接收请求并响应请求。【后端1】查询“后端1主机内的路由表”，得知目标IP为169.254.1.11的数据包，下一跳地址为169.254.1.111，且下一跳地址的MAC地址为52:54:94:11:b7:44，于是构建一个源IP为负载均衡器IP(保证对于客户端而言，响应包的源IP就是请求包的目标IP，才能建立一个连接)也即169.254.1.11，目标IP是请求包的源IP(也是客户端IP)也即169.254.1.1的数据包，通过链路层发往52:54:94:11:b7:44；
52:54:c8:64:6c:e4>52:54:94:11:b7:44,169.254.1.11.80>169.254.1.1.55356TCP
步骤八：【后端1】的物理网络，根据【后端1】发出的数据包的目标MAC地址52:54:94:11:b7:44，查询“后端1所在的物理网络的VXLAN发送转发规则”，将该数据包使用VNI 1进行VXLAN封装，并发往网关192.168.123.111(而不是负载均衡器的所在的地址192.168.123.112)，即响应包的出口和请求包的入口不同；
IP 192.168.123.11.53568>192.168.123.111.4789:VXLAN,vni 1
169.254.1.11.80>169.254.1.1.55356TCP
步骤九：网关192.168.123.111收到【后端1】的物理网络转发的响应；
IP 192.168.123.11.53568>192.168.123.111.4789:VXLAN,vni 1
169.254.1.11.80>169.254.1.1.55356TCP
步骤十：网关192.168.123.111对该响应包进行VXLAN解包，得到【后端1】响应的原始数据帧，网关查询“192.168.123.111的本地路由规则”，转发到169.254.1.1；
52:54:c8:64:6c:e4>52:54:94:11:b7:44,169.254.1.11.80>169.254.1.1.55356TCP
步骤十一：客户端接收到响应。
至此，整个从客户端发出请求到接收响应的连接过程结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于VXLAN的负载均衡方法，其特征在于，该方法包括：
负载均衡器LB接收客户端发送的数据请求包；
所述LB根据预设的负载均衡算法确定所述数据请求包应发往的虚拟主机VM的MAC地址、所述VM所属的虚拟可扩展局域网隧道端点VTEP的IP地址和虚拟可扩展局域网网络标识VNI；
所述LB对所述请求包进行目的MAC地址转换处理，使得所述数据请求包的目的MAC地址为所述VM的MAC地址；
所述LB根据所述IP地址和VNI，对所述经过目的MAC地址转换处理的数据请求包进行虚拟可扩展局域网VXLAN封装，生成VXLAN报文并发送到所述VTEP。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LB根据预设的负载均衡算法确定所述数据请求包应发往的VM的MAC地址、所述VM所属的VTEP的IP地址和VNI，具体包括：
所述LB根据预设的负载均衡算法确定所述数据请求包应发往的VM所属的VTEP的IP地址；
所述LB根据所述IP地址确定所述VM的MAC地址和VNI。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述负载均衡算法为源地址哈希算法。
4.一种负载均衡器，其特征在于，包括接收模块、确定模块、转换模块和封装模块；
所述接收模块，用于接收客户端发送的数据请求包；
所述确定模块，用于根据预设的负载均衡算法确定所述数据请求包应发往的虚拟主机VM的MAC地址、所述VM所属的虚拟可扩展局域网隧道端点VTEP的IP地址和虚拟可扩展局域网网络标识VNI；
所述转换模块，用于对所述请求包进行目的MAC地址转换处理，使得所述数据请求包的目的MAC地址为所述VM的MAC地址；
所述封装模块，用于根据所述IP地址和VNI，对所述经过目的MAC地址转换处理的数据请求包进行虚拟可扩展局域网VXLAN封装，生成VXLAN报文并发送到所述VTEP。
5.根据权利要求4所述的负载均衡器，其特征在于，所述确定模块包括第一确定单元和第二确定单元；
所述第一确定单元，用于根据预设的负载均衡算法确定所述数据请求包应发往的VM所属的VTEP的IP地址；
所述第二确定单元，用于根据所述IP地址确定所述VM的MAC地址和VNI。
6.根据权利要求4或5所述的负载均衡器，所述负载均衡算法为源地址哈希算法。
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