CN114205682B - 可编程交换机及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可编程交换机及其实现方法、存储介质，属于负载均衡器领域和交换机领域。可编程交换机包括用于接收报文的端口，转发通道，被配置为在接收的报文为经过路由转发的报文时，判断所述报文是否需经过负载均衡流程，若是则标记所述报文；环回接口，被配置为被标记的报文经所述环回接口环回至负载均衡通道；负载均衡通道，被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理再转发报文；在不扩充硬件资源的前提下，通过延长流水线的方法，达到了扩充资源的效果，既保证可编程交换机满足各种技术的功能需求，又能保证负载均衡的性能要求和转发带宽时延要求。

Description

可编程交换机及其实现方法

技术领域

本发明涉及交换机领域，具体涉及一种能实现负载均衡的可编程交换机。

背景技术

随着互联网的快速发展，负载均衡技术得到越来越多的应用，种类也出现多样化，出现了负载均衡服务器、负载均衡软件等多种产品，涵盖了L4(四层)和L7(七层)的负载均衡。但是传统的负载均衡技术存在吞吐量小，转发性能差的缺点，随着数据中心的飞速发展，该缺点也变得更加明显和亟待解决。

可编程交换机的产生和发展使上述问题的解决变的可能，负载均衡交换机吞吐量可以达到Tbps(T比特每秒)，可实现线速转发，极大的提高了负载均衡流量的转发性能。

然而，受可编程交换机的硬件资源的限制，往往会影响负载均衡的性能，导致负载均衡的连接数受限，无法满足海量的数据访问需求，虽然可以通过压缩算法等方法对负载均衡数据结构和算法进行优化，以尽量减少资源造成的影响，但随着新技术的层出不穷，可编程交换机支持的功能也越来越多，终究无法避免可编程交换机资源与负载均衡性能之间的矛盾。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种可编程交换机及其实现方法、存储介质。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种可编程交换机，包括用于接收报文的端口，还包括：转发通道，被配置为在接收的报文为经过路由转发的报文时，判断所述报文是否需经过负载均衡流程，若是则标记所述报文；环回接口，被配置为被标记的报文经所述环回接口环回至负载均衡通道；负载均衡通道，被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理再转发报文。

可选的，所述转发通道被配置为判断所述报文是否需经过负载均衡流程包括：根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定是否与所述负载均衡通道的虚拟ip、目的端口号和协议号一致，若一致则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为DNAT命中；若不一致则再根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定报文是否在负载均衡实ip地址池中，若在实ip地址池中，则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为SNAT命中；若不在则标明所述报文不经过负载均衡流程。

可选的，若所述报文被标记为DANT命中，则通过环回接口将被标记的报文环回至负载均衡通道。

可选的，若所述报文标记为SNAT命中，则按照转发通道查找路由表，获得报文转发的出接口、目的mac和vlan，再通过环回接口将被报文环回至负载均衡通道。

可选的，所述负载均衡通道被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：所述被标记的报文类型为DNAT命中时，根据报文的五元组在所述实ip地址池中查找对应的ip和端口号，以替换报文的目的ip和目的端口号；查找实ip的路由信息转发报文。

可选的，所述负载均衡通道被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：所述被标记的报文类型为SNAT命中时，则根据所述报文的目的ip和目的四层端口号，在流水线保存的用户连接信息中查找是否含有报文的目的ip和端口号，如果查找成功，则将所述报文源ip和源端口号替换为负载均衡通道配置的虚拟ip和端口号，再转发报文。

一种可编程交换机的实现方法，所述可编程交换机包括转发通道、环回接口和负载均衡通道，所述转发通道在接收的报文为经过路由转发的报文时，判断所述报文是否需经过负载均衡流程，若是则标记所述报文；被标记的报文经所述环回接口环回至负载均衡通道；所述负载均衡通道，被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理再转发报文。

可选的，判断所述报文是否需经过负载均衡流程包括：根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定是否与所述负载均衡通道的虚拟ip、目的端口号和协议号一致，若一致则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为DNAT命中；若不一致则再根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定报文是否在负载均衡实ip地址池中，若在实ip地址池中，则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为SNAT命中；若不在则标明所述报文不经过负载均衡流程。

可选的，若所述报文标记为DANT命中，则通过环回接口将被标记的报文环回至负载均衡通道。

可选的，若所述报文标记为SNAT命中，则按照转发通道查找路由表，获得报文转发的出接口、目的mac和vlan，再通过环回接口将报文环回至负载均衡通道。

可选的，基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：所述被标记的报文类型为DNAT命中时，根据报文的五元组在所述实ip地址池中找出对应的ip和端口号，以替换报文的目的ip和目的端口号；查找实ip的路由信息转发报文。

可选的，基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：所述被标记的报文类型为SNAT命中时，则根据所述报文的目的ip和目的四层端口号，在流水线保存的用户连接信息中查找是否含有报文的目的IP和端口号，如果查找成功，则将所述报文源ip和源端口号替换为负载均衡通道配置的虚拟ip和端口号，再转发报文。

一种计算机可读的存储介质，存储有计算机指令，其特征在于，所述指令执行时实现权利要求7-12中任一所述的可编程交换机的实现方法。

本申请的可编程交换机将芯片流水线分为负载均衡通道(LB pipeline)和转发通道(Switch pipeline)，通过可编程交换机内部的环回接口，将转发通道和负载均衡通道连接起来，在不扩充硬件资源的前提下，通过延长流水线的方法，达到了扩充资源的效果，既保证可编程交换机满足各种技术的功能需求，又能保证负载均衡的性能要求和转发带宽时延要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的可编程交换机的架构示意图；

图2为本发明中路由表的处理流程图；

图3为本发明中Switch pipeline的处理流程图；

图4为本发明中LB pipeline的处理流程图；

图5为本发明中实施例组网图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一些示例中，如图1～4所示，公开了一种四层负载均衡器与可编程交换机统一方法，包括以下步骤：提供具有环回接口的可编程交换机与具有负载均衡通道与转发通道芯片流水线；判断所述报文是否为路由转发，若是，则按照所述转发通道进行查表与转发，若否，判断是否与所述可编程交换机上配置的负载均衡的虚拟ip、目的四层端口号和协议号一致；若一致，则将报文标记为DNAT命中，通过所述环回接口将所述报文环回至所述负载均衡通道；

若不一致，则根据所述报文的源ip地址、源四层端口号和协议号，确定是否在该交换机保存的负载均衡实ip地址池中；若在所述地址池中，则将所述报文标记为SNAT命中，再通过所述环回接口传递至所述负载均衡通道；若不在所述地址池中，则继续查表与转发；

所述转发通道识别所述报文为DNAT命中或SNAT命中，并转发所述报文。

当所述转发通道识别为DNAT命中时，根据报文的五元组在所述实ip地址池中找出对应的ip和四层端口号，并用此替换掉报文的目的ip和目的四层端口号，查找实ip的路由信息，并转发所述报文。

当所述转发通道识别为SNAT命中时，则根据所述报文的目的ip和目的四层端口号，在流水线保存的用户连接信息进行查找，如果查找成功，则将所述报文源ip和源端口号改为负载均衡配置的虚拟ip和端口号，并转发所述报文。

更具体地说，对于可编程交换机，一般来讲芯片的流水线(pipeline)不止一条，且每条流水线是被一组端口共享的。本发明的基本思路是：将芯片的流水线按用途划分为两组，一组供负载均衡功能使用(本发明称为LB pipeline)，一组作为除负载均衡外的转发功能使用(称为Switch pipeline)。然后，通过可编程交换机内部的环回接口，将Switchpipeline和LB pipeline连接起来，在不扩充硬件资源的前提下，通过延长流水线的方法，达到了扩充资源的效果。

伴随pipeline的分组，将可编程交换机面板端口也分为两组。报文在Switchpipeline对应的面板口之间进行转发。

当报文从面板口进入时，Switch pipeline首先确定该报文是否为经过路由转发的单播报文，如果不是经过路由转发的单播报文，则继续按照Switch pipeline的转发表项和流程进行查表与转发。

如果是经过路由转发的单播报文，首先根据报文的目的ip地址、目的四层端口号和协议号，确定是否与该交换机上配置的负载均衡的虚拟ip、目的四层端口号和协议号一致。

如果一致，代表该报文要经过负载均衡流程，需要替换报文的目的IP和目的端口号(也就是DNAT)，将报文标记为DNAT命中，Switch pipeline不再处理该报文，通过环回接口将该报文环回到LB pipeline。

如果不一致，再根据报文的源ip地址、源四层端口号和协议号，确定是否在该交换机保存的负载均衡实ip地址池中。

如果在地址池中，将代表该报文要经过负载均衡流程，需要替换报文的源IP和源端口号(也就是SNAT)，将报文标记为SNAT命中，先按照Switch pipeline查路由表，根据路由表记录的信息查找下一跳，进而找到该报文转发的出接口、所修改的目的mac和报文所带的vlan，然后通过环回接口将该报文环回到LB pipeline，反之，则说明该报文不需要经过负载均衡流程，接着按Switch pipeline进行查表和转发。

环回口是可编程交换机的一个内部接口，可以将一个pipeline中处理的报文再次环回到另一个pipeline的入口进行查表转发处理。本例用来将Switch pipeline中经过负载均衡处理的报文环回到LB pipeline进行处理，起到了承接Switch pipeline和LBpipeline的作用，达到了可编程交换机资源扩展的效果。LB pipeline专门拿出整个流水线资源来保存负载均衡功能使用的表项，尤其是消耗资源严重的保存用户连接信息的连接表。

报文进入LB pipeline后，先检查该报文在Switch pipeline中是DNAT命中还是SNAT命中，如果是DNAT命中，则根据报文的源/目的IP、源/目的四层端口号、协议类型(即五元组)，通过负载均衡算法，在实ip地址池中找到找出相应的ip和四层端口号，并用此替换掉报文的目的ip和目的四层端口号，然后依据替换后的目的ip，查找LB pipeline保存的实ip路由信息，进而找到出接口、替换的dmac和报文所带的vlan，并转发出去；如果是SNAT命中，则根据报文的目的ip和目的四层端口号，在流水线保存的用户连接信息中查找是否含有报文的目的IP和端口号，如果查找成功，则将报文源ip和源端口号改为负载均衡配置的虚拟ip和端口号，并将报文转发出去。

在本发明的一些具体的应用示例中，如图5所示，配置了四层负载均衡功能，其中虚拟IP(VIP)为10.1.1.2，端口号为80；实IP地址池为两个服务器Server A和Server B的实际IP:192.168.0.10和192.168.0.20，端口号也都为80。PC的IP地址为10.1.1.1。以下从三个实施例来说明负载均衡器与可编程交换机统一方法。

实施例1：PC访问虚拟IP

步骤101：PC要访问虚拟IP,因此PC向可编程交换机发送访问请求报文，报文的源IP为10.1.1.1，源端口号为44586，目的IP为10.1.1.2，目的端口号是80，协议号是6；

步骤102：可编程交换机Port A收到请求报文，依据报文的目的MAC地址和目的IP确认该报文要经过路由转发，然后将目的IP和目的端口号与负载均衡配置的虚IP和端口进行匹配，发现可以匹配的上，该报文要经过L4负载均衡转发；

步骤103：流水线将该报文打上DNAT标记，并bypass剩余的查表流程，将报文送到环回口，报文进入LB pipeline流水线；

步骤104：LB pipeline根据报文的五元组从实地址中哈希得到一个实地址：192.168.0.10，并将报文的目的IP修改为192.168.0.10，目的四层端口号改为80，并将该条记录保存在用户连接表中；

步骤105：在可编程交换机的LB pipeline查找路由表，发现报文要从port B出去，将报文送至port B,并修改报文的目的MAC为server A的MAC，vlan为port B所配vlan。

步骤106：Server A收到PC发来的报文，源ip为10.1.1.1，源端口号为44586，目的IP是192.168.0.10，目的端口号是80，协议号是6。

至此，完成实施例1中PC对虚拟IP的访问，实现了可编程交换机的负载均衡。

实施例2：Server A对PC的应答

步骤201：Server A向可编程交换机发送应答报文，报文的源IP是192.168.0.10，源端口号是80，目的IP是10.1.1.1，目的端口号是44586，协议号是6；

步骤202：可编程交换机收到应答报文，依据报文的源IP和源端口号和协议号查找可编程交换机的负载均衡配置，发现可以匹配到配置的实IP地址池，将该报文打上SNAT标记；

步骤203：在可编程交换机的Switch pipeline查找路由表，发现报文要从port A出去，将报文的目的MAC地址改为PC的MAC地址，vlan为port A所配置的VLAN；

步骤204：将报文送到环回口，报文进入LB pipeline；

步骤205：在LB pipeline查找连接表，发现报文的目的IP、目的端口号在地址池中，修改报文的源IP为10.1.1.2，源端口号为80；

步骤206：报文从Port A发往PC，报文的源IP为10.1.1.2，源端口号为80，目的IP为10.1.1.1，目的端口号为44586，协议号为6。

至此，完成实例2中Server A对PC的应答。

实例3：PC对非虚拟IP(Server C)的访问

步骤301：PC向可编程交换机发送访问请求报文，报文的源IP为10.1.1.1，源端口号44586，目的IP为100.1.1.2，目的端口号为80，协议号为6；

步骤302：本发明依据报文的目的MAC以及目的IP，确认为路由单播，装置查找路由表，将端口从port D中发送出去，并修改报文的目的MAC为server C的MAC，vlan为port D所配置的VLAN；

步骤303：Server C收到PC发送的请求报文。

至此，完成实例3中PC对Server C的访问。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (11)

1.一种可编程交换机，包括用于接收报文的端口，其特征在于，还包括：

转发通道，被配置为在接收的报文为经过路由转发的报文时，判断所述报文是否需经过负载均衡流程，若是则标记所述报文；

环回接口，被配置为被标记的报文经所述环回接口环回至负载均衡通道；

负载均衡通道，被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理再转发报文；

所述转发通道被配置为判断所述报文是否需经过负载均衡流程包括：

根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定是否与所述负载均衡通道的虚拟ip、目的端口号和协议号一致，

若一致则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为DNAT命中；若不一致则再根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定报文是否在负载均衡实ip地址池中，若在实ip地址池中，则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为SNAT命中；若不在则标明所述报文不经过负载均衡流程。

2.根据权利要求1所述的可编程交换机，其特征在于，若所述报文被标记为DNAT命中，则通过环回接口将被标记的报文环回至负载均衡通道。

3.根据权利要求1所述的可编程交换机，其特征在于，若所述报文标记为SNAT命中，则按照转发通道查找路由表，获得报文转发的出接口、目的mac和vlan，再通过环回接口将报文环回至负载均衡通道。

4.根据权利要求1所述的可编程交换机，其特征在于，所述负载均衡通道被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：所述被标记的报文类型为DNAT命中时，根据报文的五元组在所述实ip地址池中查找对应的ip和端口号，以替换报文的目的ip和目的端口号；查找实ip的路由信息转发报文。

5.根据权利要求1所述的可编程交换机，其特征在于，所述负载均衡通道被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：所述被标记的报文类型为SNAT命中时，则根据所述报文的目的ip和目的四层端口号，在流水线保存的用户连接信息中查找是否含有报文的目的ip和端口号，如果查找成功，则将所述报文源ip和源端口号替换为负载均衡通道配置的虚拟ip和端口号，再转发报文。

6.一种可编程交换机的实现方法，所述可编程交换机包括转发通道、环回接口和负载均衡通道，其特征在于，

所述转发通道在接收的报文为经过路由转发的报文时，判断所述报文是否需经过负载均衡流程，若是则标记所述报文；被标记的报文经所述环回接口环回至负载均衡通道；

所述负载均衡通道，被配置为基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理再转发报文；

判断所述报文是否需经过负载均衡流程包括：

根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定是否与所述负载均衡通道的虚拟ip、目的端口号和协议号一致，

若一致则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为DNAT命中；若不一致则再根据所述报文的目的ip地址、目的端口号和协议号，确定报文是否在负载均衡实ip地址池中，若在实ip地址池中，则表示所述报文需经过负载均衡流程，将所述报文标记为SNAT命中；若不在则标明所述报文不经过负载均衡流程。

7.根据权利要求6所述的可编程交换机的实现方法，其特征在于，若所述报文标记为DNAT命中，则通过环回接口将被标记的报文环回至负载均衡通道。

8.根据权利要求6所述的可编程交换机的实现方法，其特征在于，若所述报文标记为SNAT命中，则按照转发通道查找路由表，获得报文转发的出接口、目的mac和vlan，再通过环回接口将报文环回至负载均衡通道。

9.根据权利要求6所述的可编程交换机的实现方法，其特征在于，基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：

所述被标记的报文类型为DNAT命中时，根据报文的五元组在所述实ip地址池中找出对应的ip和端口号，以替换报文的目的ip和目的端口号；查找实ip的路由信息转发报文。

10.根据权利要求6所述的可编程交换机的实现方法，其特征在于，基于所述被标记的报文类型对所述被标记的报文进行负载均衡处理包括：

所述被标记的报文类型为SNAT命中时，则根据所述报文的目的ip和目的四层端口号，在流水线保存的用户连接信息中查找是否含有报文的目的IP和端口号，如果查找成功，则将所述报文源ip和源端口号替换为负载均衡通道配置的虚拟ip和端口号，再转发报文。

11.一种计算机可读的存储介质，存储有计算机指令，其特征在于，所述指令执行时实现权利要求6-10中任一所述的可编程交换机的实现方法。