CN109698796A - 一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法，涉及网络通信技术领域。包括交换机、互联网客户端、负载均衡器和服务器集群，互联网客户端与交换机之间通过互联网相连接，负载均衡器和服务器集群与交换机之间均通过VLAN端口连接。该高性能网络负载均衡系统，通过将弹性IP与NAT功能、公有云常见的ELB以及Nginx反向代理的部分功能集成在一起，通过一个负载均衡器实现，提高了IT系统的集成度和处理效率，通过连接表处理方法，改变了Nginx需要实际建立和维护TCP连接的方法，仅依靠数据记录进行匹配，并省略了路由表、ARP表查询的过程，整体处理性能远高于同样硬件平台下的其他负载均衡器，具有独创性。

Description

一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体为一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法。

背景技术

随着互联网数据处理量猛增、数据处理需求的增强，服务器的数量逐渐增多，为了满足高并发、高可用数据处理的需求，服务器一般需要按照集群部署，那么必然要求在服务器集群前端，部署网络负载均衡器，形成内部网络流量均衡分发。

在硬件IT系统中，一般使用F5设备作为独立负载均衡设备，在云平台上，一般使用Nginx反向代理服务器加上弹性IP组合作为服务器集群的负载均衡分发，这些现有的负载均衡方式，普遍存在处理性能不高，报文处理方式复杂，成本偏高等缺点。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法，具备提高IT系统的集成度和处理效率等优点，解决了目前的负载均衡方式处理性能不高并且报文处理方式复杂的问题。

(二)技术方案

为实现上述提高IT系统的集成度和处理效率的目的，本发明提供如下技术方案：一种高性能网络负载均衡系统，包括交换机、互联网客户端、负载均衡器和服务器集群，所述互联网客户端与交换机之间通过互联网相连接，所述负载均衡器和服务器集群与交换机之间均通过VLAN端口连接。

进一步优化本技术方案，所述负载均衡器，采用基于MIPS架构的服务器，软件系统为嵌入式简单程序执行体，不包含完整操作系统，直接操作硬件寄存器。

进一步优化本技术方案，所述负载均衡器对接交换机的端口，划分为VLAN100和VLAN200，且从互联网客户端向服务器集群请求的数据报文是VLAN100，从服务器集群向互联网客户端返回的响应数据是VLAN200，交换机侧端口为trunk类型。

一种高性能网络负载均衡系统的实现方法，包括以下步骤：

S1、负载均衡器通过接收来自互联网客户端的上行数据报文，按照负载均衡算法转发给服务器集群中的其中一个服务器，并接收来自服务器端的下行数据报文，返回给互联网客户端；

S2、所有上行数据报文目的IP地址即EIP，目的端口即EPort，负载均衡器进行分发时，进行NAT转换，将目的IP和端口替换成分发算法选中的实际服务器的IP和端口；

S3、在接口组配置完对接服务器的接口，以及服务器集群配置完成具体服务器资源之后，ARP地址解析协议主动发送ARP广播请求报文，获取服务器集群的MAC地址，用于具体服务器的状态检查；

S4、负载均衡器在接收上行报文处理并分发之后，记录报文的上行IP5元组、上行VLAN、源MAC地址、上行接口MAC地址、服务器IP、服务器端口、下行VLAN、下行接口MAC地址和目的MAC地址；

S5、下行响应数据报文进入负载均衡器后，由下行VLAN判断为响应返回报文，进行连接表表项反向匹配，将报文的源IP、源端口替换为EIP和EPort，并将MAC地址替换为上行接口MAC和源MAC，VLAN替换为上行VLAN，快速转发给互联网客户端；

S6、连接表表项记入硬件缓存，并设置空闲超时时间300s，连接表表项如果被匹配，则重置超时时间。

进一步优化本技术方案，所述S2中，所有配置数据均通过负载均衡器Web界面或者命令行界面进行配置。

进一步优化本技术方案，所述S3中，服务器的状态检查支持ICMP报文检测。

进一步优化本技术方案，所述S4中，上行IP5元组包括源IP、源port、tcp/udp、EIP和EPort。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法，具备以下有益效果：

1、该高性能网络负载均衡系统，通过将弹性IP与NAT功能、公有云常见的ELB以及Nginx反向代理的部分功能集成在一起，通过一个负载均衡器实现，提高了IT系统的集成度和处理效率。

2、该高性能网络负载均衡系统，通过连接表处理方法，改变了Nginx需要实际建立和维护TCP连接的方法，仅依靠数据记录进行匹配，并省略了路由表、ARP表查询的过程，整体处理性能远高于同样硬件平台下的其他负载均衡器，具有独创性。

3、该高性能网络负载均衡系统的实现方法，不依赖外部条件，可以在任何硬件平台和网络上实施，避免了对硬件平台和外部网络有一定依赖性。

附图说明

图1为本发明的系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法，包括交换机、互联网客户端、负载均衡器和服务器集群，互联网客户端与交换机之间通过互联网相连接，负载均衡器和服务器集群与交换机之间均通过VLAN端口连接。

具体的，负载均衡器，采用基于MIPS架构的服务器，软件系统为嵌入式简单程序执行体，不包含完整操作系统，直接操作硬件寄存器，该软件系统上层用于处理网络数据部分，不涉及硬件底层操作，硬件采用CaviumOCTEON多核MIPSCPU和EMERSONATCA-9305blade。

具体的，负载均衡器对接交换机的端口，划分为VLAN100和VLAN200，且从互联网客户端向服务器集群请求的数据报文是VLAN100，从服务器集群向互联网客户端返回的响应数据是VLAN200，交换机侧端口为trunk类型，允许VLAN100和VLAN200通过。

一种高性能网络负载均衡系统的实现方法，包括以下步骤：

S1、负载均衡器通过接收来自互联网客户端的上行数据报文，按照负载均衡算法转发给服务器集群中的其中一个服务器，并接收来自服务器端的下行数据报文，返回给互联网客户端；

S2、所有上行数据报文目的IP地址即EIP，目的端口即EPort，负载均衡器进行分发时，进行NAT转换，将目的IP和端口替换成分发算法选中的实际服务器的IP和端口，以上所有配置数据均通过负载均衡器Web界面或者命令行界面进行配置；

S3、在接口组配置完对接服务器的接口，以及服务器集群配置完成具体服务器资源之后，ARP地址解析协议主动发送ARP广播请求报文，获取服务器集群的MAC地址，用于具体服务器的状态检查，服务器的状态检查支持ICMP报文检测；

S4、负载均衡器在接收上行报文处理并分发之后，记录报文的上行IP5元组、上行VLAN、源MAC地址、上行接口MAC地址、服务器IP、服务器端口、下行VLAN、下行接口MAC地址和目的MAC地址，上行IP5元组包括源IP、源port、tcp/udp、EIP和EPort，连接表数据结构如下：

S5、下行响应数据报文进入负载均衡器后，由下行VLAN判断为响应返回报文，进行连接表表项反向匹配，将报文的源IP、源端口替换为EIP和EPort，并将MAC地址替换为上行接口MAC和源MAC，VLAN替换为上行VLAN，快速转发给互联网客户端；

S6、连接表表项记入硬件缓存，并设置空闲超时时间300s，连接表表项如果被匹配，则重置超时时间。

实施例：

向web服务器做负载均衡，某一个web服务器的实际IP为192.168.100.1，端口80，负载均衡器的弹性IP：Port为180.97.33.108：80，客户端IP为10.10.0.1，端口2501，从客户端http访问web服务器，经过负载均衡器分发之后，连接表数据为：

上行报文IP4元组：10.10.0.1:2501->180.97.33.108:80，处理后：10.10.0.1:2501->192.168.100.1：80；

下行报文IP4元组：192.168.100.1:80->10.10.0.1:2501，处理后：180.97.33.108：80->10.10.0.1:2501。

实施例结果分析：通过连接表数据结构，负载均衡器可以快速完成报文匹配，一次性完成NAT转换、VLAN替换、网络接口MAC地址更换，不需要查询路由表、ARP缓存，比其他构建在操作系统之上的正常软件系统，如Nginx，可以更快完成数据包转发处理，提高了效率；同时，负载均衡器不需要实际创建TCP连接，只需要记录NAT数据，在指定内存的范围内，没有并发连接数的限制，提升了处理性能。

综上所述，该高性能网络负载均衡系统，通过将弹性IP与NAT功能、公有云常见的ELB以及Nginx反向代理的部分功能集成在一起，通过一个负载均衡器实现，提高了IT系统的集成度和处理效率；该高性能网络负载均衡系统，通过连接表处理方法，改变了Nginx需要实际建立和维护TCP连接的方法，仅依靠数据记录进行匹配，并省略了路由表、ARP表查询的过程，整体处理性能远高于同样硬件平台下的其他负载均衡器，具有独创性；该高性能网络负载均衡系统的实现方法，不依赖外部条件，可以在任何硬件平台和网络上实施，避免了对硬件平台和外部网络有一定依赖性。

本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种高性能网络负载均衡系统，包括交换机、互联网客户端、负载均衡器和服务器集群，其特征在于：所述互联网客户端与交换机之间通过互联网相连接，所述负载均衡器和服务器集群与交换机之间均通过VLAN端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种高性能网络负载均衡系统，其特征在于：所述负载均衡器，采用基于MIPS架构的服务器，软件系统为嵌入式简单程序执行体，不包含完整操作系统，直接操作硬件寄存器。

3.根据权利要求1所述的一种高性能网络负载均衡系统及其实现方法，其特征在于：所述负载均衡器对接交换机的端口，划分为VLAN100和VLAN200，且从互联网客户端向服务器集群请求的数据报文是VLAN100，从服务器集群向互联网客户端返回的响应数据是VLAN200，交换机侧端口为trunk类型。

4.一种高性能网络负载均衡系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、负载均衡器通过接收来自互联网客户端的上行数据报文，按照负载均衡算法转发给服务器集群中的其中一个服务器，并接收来自服务器端的下行数据报文，返回给互联网客户端；

S2、所有上行数据报文目的IP地址即EIP，目的端口即EPort，负载均衡器进行分发时，进行NAT转换，将目的IP和端口替换成分发算法选中的实际服务器的IP和端口；

S3、在接口组配置完对接服务器的接口，以及服务器集群配置完成具体服务器资源之后，ARP地址解析协议主动发送ARP广播请求报文，获取服务器集群的MAC地址，用于具体服务器的状态检查；

S4、负载均衡器在接收上行报文处理并分发之后，记录报文的上行IP5元组、上行VLAN、源MAC地址、上行接口MAC地址、服务器IP、服务器端口、下行VLAN、下行接口MAC地址和目的MAC地址；

S5、下行响应数据报文进入负载均衡器后，由下行VLAN判断为响应返回报文，进行连接表表项反向匹配，将报文的源IP、源端口替换为EIP和EPort，并将MAC地址替换为上行接口MAC和源MAC，VLAN替换为上行VLAN，快速转发给互联网客户端；

S6、连接表表项记入硬件缓存，并设置空闲超时时间300s，连接表表项如果被匹配，则重置超时时间。

5.根据权利要求4所述的一种高性能网络负载均衡系统的实现方法，其特征在于：所述S2中，所有配置数据均通过负载均衡器Web界面或者命令行界面进行配置。

6.根据权利要求4所述的一种高性能网络负载均衡系统的实现方法，其特征在于：所述S3中，服务器的状态检查支持ICMP报文检测。

7.根据权利要求4所述的一种高性能网络负载均衡系统的实现方法，其特征在于：所述S4中，上行IP5元组包括源IP、源port、tcp/udp、EIP和EPort。