CN110932991A - 一种实现链路聚合负载均衡的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现链路聚合负载均衡的装置及方法，其中所述装置包括：链路聚合控制器、出端口生成模块、流量监控模块和用户配置模块。其中链路聚合控制器中包括出端口重配置和流量分配两个单元。本发明动态实现了链路聚合成员之间的负载均衡。数据流的出端口配置是根据各端口的带宽使用情况和用户配置动态分配的；流量监控模块只在大流量端口的数据流传输间隙时才通知流量分配单元切换出端口，因此数据流切换出端口时不会发生数据包错乱。

Description

一种实现链路聚合负载均衡的装置及方法

技术领域

本发明属于链路聚合负载均衡技术领域，尤其是涉及一种实现链路聚合负载均衡的装置及方法。

背景技术

链路聚合(Link Aggregation)指将多个以太网物理端口汇聚在一起，形成一个逻辑端口，以实现出/入流量吞吐量在各成员端口的负荷分担，交换机根据用户配置的端口负荷分担策略决定网络封包从哪个成员端口发送到对端的交换机。当交换机检测到其中一个成员端口的链路发生故障时，就停止在此端口上发送封包，并根据负荷分担策略在剩下的链路中重新计算报文的发送端口，故障端口恢复后再次担任收发端口。

聚合实现的一种常用的解决方案一是通过专用算法分配聚合端口流量，并依靠算法保证端口负载均衡。在该方案下以太网查表模块首先按照专用算法生成的以太网查表bitmap和聚合口bitmap，然后链路聚合装置可以直接计算出链路聚合出端口bitmap，具体流程如图1所示。

另外，目前也出现了上述方法的改进方案二。该方案通过确定负载率最小的成员端口，使聚合器在收到上层网络设备报文且查找不到与之相对应的端口时，选择负载率最小的成员端口发送该报文，使各端口的负载达到均衡。

上述解决方案一存在如下缺点：一是：聚合相关参数结算全靠算法实现。在此条件下，算法需保证聚合口计算的正确性，同时需保证端口负载分配的均匀性，还需要保证算法效率，因此该方案对算法要求较高，算法设计、验证均较为复杂。二是：复杂算法对资源开销需求较高。

综上所述，该方案的聚合口生成算法较为复杂，所以必然占用更多的软、硬件资源，并很可能影响系统工作效率。

上述解决方案二存在如下缺点：该方案在第一种解决方案基础上做了有限修改，但是只对未识别出端口报文有效，因此负载均衡效果改善有限。

本发明在现有方案基础上，增加了链路聚合控制器和流量监控模块，根据以太网查表bitmap、聚合口bitmap及平均流量统计进行聚合出端口分配，提出了一种基于硬件补偿的链路聚合负载均衡的方法。

发明内容

有鉴于此，提出了一种基于硬件补偿的链路聚合负载均衡的装置及方法，来解决链路聚合负载均衡问题。

本发明的一方面，提供一种实现链路聚合负载均衡的装置，包括：

用户配置模块，用于接收用户配置信息，包括聚合成员端口信息、聚合成员流量阈值和流量偏差阈值；

链路聚合控制器，包括出端口重配置单元和流量分配单元，其中，

所述出端口重配置单元根据聚合成员端口信息、各端口实际建链情况信息进行聚合成员列表配置并更新聚合成员数量，再将配置结果传入所述流量分配单元；

所述流量分配单元根据聚合成员流量阈值、配置结果、流量监控模块反馈的出端口实际流量，生成流量分配表并传入出端口生成模块；

出端口生成模块，根据流量分配表选取对应的物理出端口，完成链路聚合；

流量监控模块，用于实时监测所述出端口生成模块的出端口实际流量，并将流量统计信息反馈至所述流量分配单元。

进一步的，所述流量监控模块监测所述出端口生成模块的每个聚合成员一段时间内的平均流量，统计各个聚合成员的流量大小并反馈给所述流量分配单元；具体的，

当各聚合成员的流量在用户规定的流量偏差阈值的范围之内，流量监控模块不反馈信息；

当某个聚合成员的流量大小明显高于其他聚合成员时，即最大流量聚合成员的流量大小大于预设的最大流量阈值，且最大流量聚合成员与最小流量聚合成员的的流量差值大于预设的差值阈值时；流量监控模块反馈信息至流量分配单元，流量分配单元生成新的流量分配表，实现流量均衡；

当流量最大的聚合成员转换至空闲状态时，流量分配单元将该聚合成员对应端口号复制到流量最低聚合成员。

进一步的，所述各端口实际建链情况信息包括以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示；所述聚合成员端口信息包括链路聚合使能、聚合成员虚端口号、聚合成员掩码；

所述出端口重配置单元根据以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示、用户配置的链路聚合使能、聚合虚端口号、聚合成员掩码，在一定周期下刷新链路聚合成员列表，生成聚合成员列表并更新聚合成员数量。

本发明的另一方面，提供了一种实现链路聚合负载均衡的方法，所述方法包括：

定义聚合成员的流量偏差阈值；

实时监测每个聚合成员一段时间内的平均流量，统计各个聚合成员的流量大小：

当各聚合成员的流量在流量偏差阈值的范围之内，流量分配不变；

当某个聚合成员的流量大小明显高于其他聚合成员时，重新进行流量分配，实现流量均衡；

当流量最大的聚合成员转换至空闲状态时，将该聚合成员对应端口号复制到流量最低聚合成员。

进一步的，初始时，根据以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示、用户配置的链路聚合使能、聚合虚端口号、聚合成员掩码，在一定周期下刷新链路聚合成员列表，生成聚合成员列表并更新聚合成员数量；

进行流量分配时，根据聚合成员流量阈值、聚合成员列表、聚合成员数量、监测到的各个聚合成员的流量大小，进行动态流量分配。

相对于现有技术，本发明装置及方法具有以下优势：

(1)本发明动态实现了链路聚合成员之间的负载均衡，数据流的出端口配置是根据各端口的带宽使用情况和用户配置动态分配的。

(2)本发明通过流量监控只在大流量端口的数据流传输间隙时才通知流量分配单元切换出端口，因此数据流切换出端口时不会发生数据包错乱。

(3)本发明可以简化算法，从硬件上实现端口负载均衡。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有的链路聚合装置的结构框图

图2为本发明实施例链路聚合负载均衡的装置的结构框图；

图3为本发明实施例出端口重配置单元的流程图；

图4为本发明实施例流量分配单元的流程图；

图5为本发明实施例流量监控模块与流量分配单元的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明一方面提供了一种实现链路聚合负载均衡的装置，如图2所示，包括：

用户配置模块，用于接收用户配置信息，包括聚合成员端口信息、聚合成员流量阈值和流量偏差阈值；

链路聚合控制器，包括出端口重配置单元和流量分配单元，其中，

所述出端口重配置单元根据聚合成员端口信息、各端口实际建链情况信息进行聚合成员列表配置，再将配置结果传入所述流量分配单元；

所述流量分配单元根据聚合成员流量阈值、配置结果、流量监控模块反馈的出端口实际流量，生成流量分配表并传入出端口生成模块；

出端口生成模块，根据流量分配表选取对应的物理出端口，完成链路聚合；

流量监控模块，用于实时监测所述出端口生成模块的出端口实际流量，并将流量统计信息反馈至所述流量分配单元。

进一步的，所述流量监控模块监测所述出端口生成模块的每个聚合成员一段时间内的平均流量，统计各个聚合成员的流量大小：

当各聚合成员的流量在用户规定的流量偏差阈值的范围之内，装置不会干预流量分配；

当某个聚合成员的流量大小明显高于其他聚合成员时，即最大流量聚合成员的流量大小大于预设的最大流量阈值，且最大流量聚合成员与最小流量聚合成员的的流量差值大于预设的差值阈值，流量监控模块反馈信息至流量分配单元，其中，具体的反馈的信息包括对应端口号、平均流量数值和当前端口状态(即端口当前是否有数据流通过)；流量分配单元结合前面的提到的聚合成员流量阈值、聚合成员列表和聚合成员数量共同生成新的流量分配表，实现流量均衡；

当流量最大的聚合成员转换至空闲状态时，流量分配单元将该聚合成员对应端口号复制到流量最低聚合成员，此时大流量成员的数据流将由小流量成员负担；

之后流量监控模块继续监测各聚合成员流量情况，直到再次出现成员流量不均时，装置将再次调整成员流量分配，直到实现动态流量均衡，如图5所示。

具体的，所述流量监控模块实时监测各个聚合成员端口的流量大小，并计算差值，监测聚合端口流量大小方法为：

监测每个聚合端口的数据总线，在一定时间内(ms级别，该级别可由用户根据需要配置)统计有效数据总线的数据拍数，从而得到该段时间内的数据包流量L1、L2……Ln；

用户初始设置一个最大参考阈值和差值阈值，分别为Lm和Lp。其中Lm则用于判断流量最大端口的阈值，Lp作为判断最大流量端口和最小流量端口差异的阈值。只有当最大流量端口的流量大于Lm，即max{L1、L2……Ln}>Lm，并且最大流量端口和最小流量端口的差值超过Lp，即max{L1、L2……Ln}-min{L1、L2……Ln}>Lp时，才触发重新分配端口流量的操作。

其中，流量分配单元生成新的流量分配表的是依据如下重新分配原则进行分配：

当上述触发端口流量重新分配后，硬件逻辑会自动计算一个新的端口流量分配占比表格用于流量均分；

如上所述，流量监控模块会实时统计各个出端口的流量情况，得到L1、L2……Ln，再次重新分配时则会以此为基础进行。分配模块会将最大流量端口的(max{L1、L2……Ln}-min{L1、L2……Ln})/2(最大最小差值的一半)分配到最小流量端口。

具体做法为，记最大流量端口为Lmax，最小为Lmin，以Lmax为计数周期进行计数，超出Lmax-(Lmax-Lmin)/2的部分则分配到最小流量端口，从而实现两个端口的流量均衡。

具体的，用户配置模块是本装置对用户的配置接口，可配置项目包括链路聚合功能是否使能、聚合虚端口号、聚合成员数量、聚合成员端口标号、聚合成员流量阈值和流量偏差阈值等。该模块可通过基于AHB总线(比如装置在ASIC实现)实现或基于I2C(比如装置在FPGA实现)实现用户配置指令下发。

进一步的，所述各端口实际建链情况信息包括以太网查表获取的bitmap(即路由结果)、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示；所述聚合成员端口信息包括链路聚合使能、聚合成员虚端口号、聚合成员掩码；

所述出端口重配置单元根据以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示、用户配置的链路聚合使能、聚合虚端口号、聚合成员掩码(即聚合成员数量和聚合成员端口标号)等条目，在一定周期下刷新链路聚合成员列表，生成聚合成员列表并更新聚合成员数量，流程如图3所示。

流量分配单元根据用户配置的聚合成员流量阈值、聚合成员列表并更新聚合成员数量、流量监控模块反馈的聚合成员出端口实际流量，生成流量分配表，进行均衡分配，流程如图4所示。

本发明的负载均衡方法主要通过流量分配和流量监控模块实现，流量分配单元同步更新出端口生成模块内的聚合成员。经过链路聚合装置处理过的聚合出端口bitmap可用于指示数据流的物理出口位置。另外流量监控模块实时监测出端口生成模块的流量情况，将流量统计反馈至链路聚合控制器。

本发明通过流量监控模块和流量分配模块动态实现了链路聚合成员之间的负载均衡。数据流的出端口配置是根据各端口的带宽使用情况和用户配置动态分配的。流量监控模块只在大流量端口的数据流传输间隙时才通知流量分配单元切换出端口，因此数据流切换出端口时不会发生数据包错乱。

本发明的另一方面，提供了一种实现链路聚合负载均衡的方法，所述方法包括：

定义聚合成员的流量偏差阈值；

实时监测每个聚合成员一段时间内的平均流量，统计各个聚合成员的流量大小：

当各聚合成员的流量在流量偏差阈值的范围之内，流量分配不变；

当某个聚合成员的流量大小明显高于其他聚合成员时，重新进行流量分配，实现流量均衡；

当流量最大的聚合成员转换至空闲状态时，将该聚合成员对应端口号复制到流量最低聚合成员。

具体的，初始时，根据以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示、用户配置的链路聚合使能、聚合虚端口号、聚合成员掩码，在一定周期下刷新链路聚合成员列表，生成聚合成员列表并更新聚合成员数量；进行流量分配时，根据聚合成员流量阈值、聚合成员列表、聚合成员数量、监测到的各个聚合成员的流量大小，进行动态流量分配。

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 (5)

1.一种实现链路聚合负载均衡的装置，其特征在于，包括：

用户配置模块，用于接收用户配置信息，包括聚合成员端口信息、聚合成员流量阈值和流量偏差阈值；

链路聚合控制器，包括出端口重配置单元和流量分配单元，其中，

所述出端口重配置单元根据聚合成员端口信息、各端口实际建链情况信息进行聚合成员列表配置并更新聚合成员数量，再将配置结果传入所述流量分配单元；

所述流量分配单元根据聚合成员流量阈值、配置结果、流量监控模块反馈的出端口实际流量，生成流量分配表并传入出端口生成模块；

出端口生成模块，根据流量分配表选取对应的物理出端口，完成链路聚合；

流量监控模块，用于实时监测所述出端口生成模块的出端口实际流量，并将流量统计信息反馈至所述流量分配单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述流量监控模块监测所述出端口生成模块的每个聚合成员一段时间内的平均流量，统计各个聚合成员的流量大小：

当各聚合成员的流量在用户规定的流量偏差阈值的范围之内，流量监控模块不反馈信息；

当某个聚合成员的流量大小明显高于其他聚合成员时，即最大流量聚合成员的流量大小大于预设的最大流量阈值，且最大流量聚合成员与最小流量聚合成员的的流量差值大于预设的差值阈值时；流量监控模块反馈信息至流量分配单元，流量分配单元生成新的流量分配表，实现流量均衡；

当流量最大的聚合成员转换至空闲状态时，流量分配单元将该聚合成员对应端口号复制到流量最低聚合成员。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述各端口实际建链情况信息包括以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示；所述聚合成员端口信息包括链路聚合使能、聚合成员虚端口号、聚合成员掩码；

所述出端口重配置单元根据以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示、用户配置的链路聚合使能、聚合虚端口号、聚合成员掩码，在一定周期下刷新链路聚合成员列表，生成聚合成员列表并更新聚合成员数量。

4.一种实现链路聚合负载均衡的方法，其特征在于，所述方法包括：

定义聚合成员的流量偏差阈值；

实时监测每个聚合成员一段时间内的平均流量，统计各个聚合成员的流量大小：

当各聚合成员的流量在流量偏差阈值的范围之内，流量分配不变；

当某个聚合成员的流量大小明显高于其他聚合成员时，即最大流量聚合成员的流量大小大于预设的最大流量阈值，且最大流量聚合成员与最小流量聚合成员的的流量差值大于预设的差值阈值时；重新进行流量分配，实现流量均衡；

当流量最大的聚合成员转换至空闲状态时，将该聚合成员对应端口号复制到流量最低聚合成员。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：初始时，根据以太网查表获取的bitmap、聚合口bitmap和以太网PHY模块建链指示、用户配置的链路聚合使能、聚合虚端口号、聚合成员掩码，在一定周期下刷新链路聚合成员列表，生成聚合成员列表并更新聚合成员数量；

进行流量分配时，根据聚合成员流量阈值、聚合成员列表、聚合成员数量、监测到的各个聚合成员的流量大小，进行动态流量分配。

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