CN1366402B

CN1366402B - 分组交换的负载平衡装置

Info

Publication number: CN1366402B
Application number: CN021031770A
Authority: CN
Inventors: 李金璋; 施作君
Original assignee: Via Technologies Inc
Current assignee: Via Technologies Inc
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: CN1366402A

Abstract

本发明所实施的分组交换的负载平衡装置，是在多重连接端口网络设备的传输环境中，通过标签的分配机制(Ticket DistributionMechanism)与标签指定机制(Ticket Assignment Mechanism)，促使数据包在分组交换的传输过程中，达到输出负载平衡。并在分组交换的过程中，进一步包含一种负载监视机制(Load Monitoring Mechanism)，使驱动装置能动态调整标签分配机制而使输出负载平衡达到最佳化。

Description

分组交换的负载平衡装置

技术领域

本发明涉及一种分组交换(Packet Switching)的负载平衡装置，特别是指，本发明是一种应用于多重连接端口(Trunking Port)网络设备传输的环境下，数据包(Packet)在经过交换系统的线路而传送至接收端的数据分配过程中，配合标签分配机制(Ticket DistributionMechanism)与标签指定机制(Ticket Assignment Mechanism)，来达到输出负载平衡的装置。

背景技术

随着因特网的普及使得上网的用户人数与日俱增，当网络交通流量增加时，为了增加频宽，会将两个或两个以上的传输端口连接起来以增加网络的传输频宽，但只一昧地增加频宽而无一良好的机制来作传输流量的控管，做好传输流量的平均分配，仍可能使大量传输流量拥塞在同一传输端口而造成负载的不平衡。因此，为了使频宽有效的被利用与发挥，实需要建立一个有效的管理机制。

一般而言，网络交通流量与客户使用的数据型态、尖峰流量、使用者数目有关，而分组交换技术可以有效改善网络效率。在因特网(Internet)互连上，在数据单元传送到目的地之前，都必须经由各种中间装置来交换，如图1为多重连接端口网络设备传输的系统结构图，亦是本发明装置与方法所应用的环境之一。

当上层使用者1欲传送数据时，数据会分解成若干数据包，即数据在传送之前先切割，接收之后再加以组合。这些数据包经由交换系统2(Switching System)，根据指派的线路而订出路径，再经由多条聚集的连接干线3(Aggregated Links)传输到因特网4。以系统结构而言，主要是将多个端口连接起来，对OSI参考模型(Open SystemInterconnect Reference Model，OSIRM)的七层网络结构中的实体层(physical layer)而言，这些传输端口是各自独立的；但对上层的使用者(user/application)而言，则只看到一个逻辑端口(logicalport)，此逻辑端口为交换系统的一部分，对应两个或两个以上的实体输出端口(Physical Output Port)；而上层的使用者只管将数据包传送给逻辑端口，但驱动装置(Driver)接收到上层使用者所传输的数据流时，必须考虑数据分配的问题，才能将所接收的数据包从不同实体输出端口传输出去；并达到负载平衡(Load Balancing)的效果。

图2显示一现有网络数据传输结构图。以现有技术而言，当上层使用者1欲传送数据时，数据包会经过操作系统7(Operation System)而下传给逻辑端口8，而逻辑端口8会决定数据包传输的实体输出端口9。

依现有技术，上层使用者在传输数据包时，将每个数据包会依其来源地址(Source Address)的最后一个位来决定数据包该由哪一个实体(Physical)输出端口传输。然而，此现有方式极可能会造成系统传输负载的不平衡，特别是指，当同一上层使用者欲传输大量的数据时，在传输过程中会切割为多个数据包，因这些数据包都是来自同一来源地址，将容易造成这些数据包都从同一实体输出端口传输出去，而造成系统的负载不平衡的现象。

发明内容

因此，本发明主要目的在于提供一种分组交换的负载平衡装置，其可在多重连接端口网络设备的传输环境中，通过标签分配机制与标签指定机制，促使数据包在分组交换，传送至接收端的数据分配过程中，达到输出分组交换的负载平衡。

本发明另一目的在于提供一种分组交换的负载平衡装置，其可在多重连接端口网络设备传输的环境下，在分组交换的过程中，进一步包含一种负载监视机制(Load Monitoring Mechanism)，使驱动装置能动态调整标签分配机制而使输出负载平衡达到最佳化。

有鉴于现有技术，在分组交换的过程中，很容易造成数据包都从同一实体输出端口传输出去，而造成系统的负载不平衡。本发明提供一种应用于多重连接端口网络设备传输的环境下的装置，实施于一交换系统的逻辑端口，包含：一标签指定机制，将数据包的来源地址与目的地址的部分位经逻辑运算后成为该数据包的标签；一标签分配机制，依动态指示的标签分配方法，将具有标签的数据包分配至各实体输出端口；以及一负载监视机制，定期计算各标签所承接数据包的负载量，以评估适用的标签分配方法而动态指示标签分配机制，以使各实体输出端口达到负载平衡的最佳化，以期有效利用既有的频宽资源。

根据本发明所实施的分组交换的负载平衡装置具有诸多优点与特征，其中包含本发明装置可在多重连接端口网络设备的传输环境中，通过标签分配机制与标签指定机制，促使数据包在分组交换过程中，达到输出负载平衡。

本发明装置另一优点即在多重连接端口网络设备传输的环境下，在分组交换的过程中，进一步包含一种负载监视机制(Load MonitoringMechanism)，使驱动装置能动态调整标签分配机制而使输出负载平衡达到最佳化。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1为现有多重连接端口网络设备传输的系统结构图；

图2为现有交换系统结构图；

图3为本发明负载平衡装置实施于一交换系统逻辑端口的内部结构图；

图4为本发明分组交换负载平衡的实施流程图。

图中符号说明：

1---上层使用者

2---交换系统

3---连接干线

4---因特网

5---数据包

7---操作系统

8---逻辑端口

9---实体输出端口

10---标签指定器

11---负载监视器

12---标签分配器

具体实施方式

虽然本发明将参阅含有本发明较佳实施例的附图予以充份描述，但在此描述之前应了解本领域技术人员可修改在本文中所描述的发明，同时获致本发明的功效。因此，须了解以下的描述对本领域技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明。

请参考图2和图3，显示本发明负载平衡装置实施于一交换系统逻辑端口的内部结构图，其中逻辑端口是以连接两个实体输出端口9为例，但不以此为限。本发明负载平衡装置包含：一标签指定机制，由一标签指定器10实施，举例来说，取出上层使用者欲传送的数据数据包5的来源地址与目的地址的部分位，执行异或(XOR)的逻辑运算以作为该数据包5的标签值；一标签分配机制，由一标签分配器12实施，依动态指示的标签分配方法，将具有标签值的数据包5分配至各实体输出端口9传输；以及一负载监视机制，由一负载监视器11实施，在一固定周期内计算各标签所承接数据包5的累积负载量，以评估多个标签分配方法，择其适用的标签分配方法，而动态指示标签分配器12执行该适用的标签分配方法分配数据包5至相应实体输出端口9的路径。

请配合图2所示，当上层使用者1传送数据时，网络上传送的数据会分解成多个数据包5，即数据在传送之前先切割，接收之后再加以组合，并会经操作系统7再将数据包5传送给逻辑端口8。当数据包5传送到逻辑端口8时，标签指定器10将欲传送的数据包5逐一做贴标签的动作，并将该数据包5传送给标签分配器12。标签分配器12会根据负载监视器11所指定的标签分配方法将该数据包5动态地分配给各实体输出端口9。其间，负载监视器11会在预设固定周期时间后对标签指定器10计算相关于各标签的数据包负载量，并以此负载计算结果决定一相应的标签分配方法，以使实体输出端口9获得较佳的负载平衡传输。以下将进一步对这三种机制作详细叙述。

标签指定机制标签指定器10取出数据包5的来源地址与目的地址的最后三个位，举例而言，执行异或(XOR)的逻辑运算以作为该数据包5的标签。标签指定器10会依序对每一数据包5贴标签，而经逻辑运算后，标签的标签值为0到7的其中之一。通过此标签指定机制，可使进入逻辑端口8的数据包5能依序的被贴上标签，而取用数据包的来源地址(SMAC)与目的地址(DMAC)作为运算标签的依据，为避免动态负载平衡装置因而使属于相同数据流的数据包发生错序(misorder)，反而降低网络效能。

标签分配机制

当数据包5经由标签指定器10被依序贴上标签后，由标签分配器12根据负载监视器11指示的标签分配方法来决定下一固定周期时间，贴上标签的数据包5该相应地由哪一实体输出端口9传输，以达到动态平衡负载的目的。在本发明的较佳实施例中，负载监视器11所指示的标签分配方式，会将标签值0到7的标签因应其上一固定周期期间各个标签的数据包累计负载量，相应地分配到各实体输出端口9，以动态调整实体输出端口9的负载平衡。

标签监视机制

当数据包5经由标签指定机制被依序贴上标签后，在一预设的固定周期时段内，此周期可依照系统设计效能而调整长短，系统的效能可能相关于端口数、CPU速度、SRAM大小......等，负载监视器11则会对各标签的负载流量做累计，即累计相关于(associated)该标签的数据包总长度作为负载流量，并定期评估不同标签分配方式中何者使实体输出端口9的负载平衡最佳化，以选择适用的分配方法指定标签分配器12执行分配。

以下将进一步说明本发明负载监视机制中，举例评估标签分配的机制。标签分配的方法一的算法如下所示：

1.LoadPerTicket[]＝{λ₁，λ₂，...，λ_t}

2.UnAssignTicket[]＝{T₁，T₂，...，T_t}

3.

4.foreach p in group{

5.While(B_p＜δ//UnAssignTicket[]){

6.set Ticket＝T_{min(LoadPerTicket[])}

7.B_p＝B_p+λ_Ticket

8.add Ticket to port p

9.del Ticket from UnAssignTicket[]

10.}

11.}

12.foreach p in group{

13.foreach ticket{

14.if(ticket∈p){

15.LoadPerPortM1[p]＝ LoadPerPortM1[p]+LoadPerTicket[ticket]

16.}

17.}

18.DiffPerPortM1[p]＝ABS(δ-LoadPerPortM1[p])

19.DiffTotalM1＝DiffTotalM1+DiffPerPortM1[p]

20.}

在上述的方法一算法陈述中，行1的阵列LoadPerTicket[]记录相关于每一标签值的数据包长度的负载流量；行2的阵列UnAssignTicket[]记录尚未指定给实体输出端口的标签Ticket；而行3的δ计算出理想输出端口的平均负载量，其中为P_g输出端口的数量；行4的foreach-loop界定每一个实体输出端口执行行5至10所述的工作，将标签Ticket指定给实体输出端口；其中，行5的While-loop界定实体输出端口p累加UnAssignTicket[]的累加负载量B_p在未达平均负载量δ之前执行行6至9所述的工作；其中，行6是从阵列LoadPerTicket[]中取出具有最小负载量λ的标签Ticket；行7将该标签Ticket的负载量累加至累加负载量B_p；行8将该标签Ticket指定给实体输出端口p；行9则将已指定的标签Ticket从阵列UnAssignTicket[]移除。

接着，行12的foreach-loop界定每一个实体输出端口执行行13至19所述的工作，计算每一个实体输出端口的负载量与平均差异量；其中，行13的foreach-loop界定每一标签Ticket执行行14至16所述的工作，以计算每一个实体输出端口的累加负载量；行14与行15是根据行4的foreach-loop将标签Ticket指定给实体输出端口的结果，将属于同一实体输出端口p的标签Ticket负载量累加起来，记录于阵列LoadPerPortM1[]；行18的阵列DiffPerPortM1[]记录每一个实体输出端口p根据此方法一的标签分配方式，其累加负载量与理想平均负载量δ的绝对差异值；最后，行19计算了根据此方法一的累加差异量，而记录于DiffTotalM1。

紧接着，以下描述标签的分配方法二的算法：

1.LoadPerTicket[]＝{λ₁，λ₂，...，λ_t}

2.UnAssignTicket[]＝{T₁，T₂，...，T_t}

3.While(UnAssignTicket[]){

4.set Ticket＝T_{min(LoadPerTicket[])}

5.add Ticket to port p

6.del Ticket from UnAssignTicket[]

7.p＝next port in group

8.}

9.foreach p in group{

10.foreach ticket {

11.if(ticket∈p){

12.LoadPerPortM2[p]＝ LoadPerPortM2[p]+LoadPerTicket[ticket]

13.}

14.}

15.DiffPerPortM2[p]＝ABS(δ-LoadPerPortM2[p])

16.DiffTotalM2＝DiffTotalM2+DiffPerPortM2[p]

17.}

在上述的方法二算法陈述中，行1的阵列LoadPerTicket[]记录相关于每一标签值的数据包长度的负载流量；行2的阵列UnAssignTicket[]记录尚未指定给实体输出端口的标签Ticket；而行3的While-loop界定阵列UnAssignTicket[]中未指定给实体输出端口的标签Ticket执行行4至7所述的工作；其中，行4是从阵列LoadPerTicket[]中取出具有最小负载量λ的标签Ticket；行5将该标签Ticket指定给实体输出端口p；行6则将已指定的标签Ticket从阵列UnAssignTicket[]移除；行7将p指定到下一个实体输出端口。

接着，行9的foreach-loop界定每一个实体输出端口执行行10至16所述的工作，计算每一个实体输出端口的负载量与平均差异量；其中，行10的foreach-loop界定每一标签Ticket执行行11至12所述的工作，以计算每一个实体输出端口的累加负载量；行11与行12系根据行3的While-loop将标签Ticket指定给实体输出端口的结果，将属于同一实体输出端口p的标签Ticket负载量累加起来，记录于阵列LoadPerPortM2[]；行15的阵列DiffPerPortM2[]记录每一个实体输出端口p根据此方法二的标签分配方式，其累加负载量与理想平均负载量δ的绝对差异值；最后，行16计算了根据此方法二的累加差异量，而记录于DiffTotalM2。

因此，在本发明的负载监视机制中，将评估上述方法一与方法二所实施的标签分配机制，以获得将各标签分配给实体输出端口后的累加差异量DiffTotalM1与DiffTotalM2，而累加差异量较小者表示该方法所实施的标签分配机制，使得各实体输出端口的负载流量获得较佳的负载平衡，以使负载监视机制将指示标签分配机制在下一时段中，将具有累加差异量较小的标签分配方法实施于交换系统的分组交换技术中。以下进一步利用两个实施范例说明，如何根据各标签的负载流量选择方法一与方法二所实施的标签分配机制。

范例一

在交换系统的一逻辑端口8中，假设其可指定给数据包5的标签数量为8个，即T₁，T₂，…，T₈，而实体输出端口有2个。当经过一预设的时段，例如：5分钟，负载监视机制所累计出每一标签Ticket分配到的数据包总长度的负载流量为：

LoadPerTicket[8]＝{0，10，0，10，0，10，0，30}

从LoadPerTicket[8]所统计出的负载流量，可获得理想输出端口的平均负载量δ＝30。根据方法一实施的标签分配，具有最小负载量的标签Ticket依序取出分配给其一实体输出端口Port 1，直到实体输出端口Port 1累加的负载流量大于平均负载量δ之后，再分配给另一实体输出端口Port 2，可得到以下的分配结果：

Port 1：T₁，T₃，T₅，T₇，T₂，T₄，T₆

Port 2：T₈

所以，各实体输出端口Port 1，Port 2将获得的累加负载流量分别为30(＝0+0+0+0+10+10+10)与30(＝标签T₈的负载流量)，而方法一将各标签分配给实体输出端口后的各实体输出端口累加差异量为：

DiffTotalM1＝0+0＝0

而根据方法二实施的标签分配，具有最小负载量的标签Ticket依序取出而逐一分配给各实体输出端口Port 1与Port 2，直到标签分配完毕，可得到以下的分配结果：

Port 1：T₁，T₅，T₂，T₆

Port 2：T₃，T₇，T₄，T₈

所以，各实体输出端口Port 1，Port 2将获得的累加负载流量分别为20(＝0+0+10+10)与40(＝0+0+10+30)，而方法二将各标签分配给实体输出端口后的各实体输出端口累加差异量为：

DiffTotalM2＝10+10＝20

因此，负载监视机制选择具有累加差异量较小的方法一实施于标签分配机制中，以使交换系统的分组交换技术可在各实体输出端口获得负载平衡。

范例二

在交换系统的一逻辑端口8中，假设其可指定给数据包5的标签数量为8个T₁，T₂，…，T₈，而实体输出端口有2个。当经过一预设的时段，例如：5分钟，负载监视机制所累计出每一标签Ticket分配到的数据包长度的负载流量为：

LoadPerTicket[8]＝{10，10，20，20，30，30，40，40}

从LoadPerTicket[8]所统计出的负载流量，可获得平均负载量δ＝100。根据方法一实施的标签分配，具有最小负载量的标签Ticket依序取出分配给其一实体输出端口Port 1，直到实体输出端口Port 1累加的负载流量大于平均负载量δ之后，再分配给另一实体输出端口Port 2，可得到以下的分配结果：

Port 1：T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆

Port 2：T₇，T₈

所以，各实体输出端口Port 1，Port 2将获得的累加负载流量分别为120(＝10+10+20+20+30+30)与80(＝40+40)，而方法一将各标签分配给实体输出端口后的各实体输出端口累加差异量为：

DiffTotalM1＝20+20＝40

Port 1：T₁，T₃，T₅，T₇

Port 2：T₂，T₄，T₆，T₈

所以，各实体输出端口Port 1，Port 2将获得的累加负载流量分别为100(＝10+20+30+40)与100(＝10+20+30+40)，而方法二将各标签分配给实体输出端口后的各实体输出端口累加差异量为：

DiffTotalM2＝0+0＝0

因此，负载监视机制选择具有累加差异量较小的方法二实施于标签分配机制中，以使交换系统的分组交换技术可在各实体输出端口获得更佳的负载平衡。

由上述两个范例分析得知，方法一实施的标签分配机制对于各标签的负载流量中有较大差异时，可使各实体输出端口获得较佳的负载平衡，而方法二实施的标签分配机制对于各标签的负载流量差异性较小时，可使各实体输出端口获得较佳的负载平衡。是故，本发明实施于交换系统的分组交换技术的负载平衡装置与方法，将可动态因应标签负载流量的特性，而选择较佳的标签分配方法，使各实体输出端口获得较佳的负载平衡，有效提升网络频宽的利用性。

请参考图4，为本发明负载平衡方法的实施流程图，并配合参阅图1、图2及图3。根据本发明负载平衡方法所实施的交换系统，其逻辑端口8包含标签指定机制、标签分配机制与标签监视机制，据以实施本发明的负载平衡方法，此方法包含：

程序101：标签数据包

在交换系统2中，当数据包5传送至逻辑端口8时，举例而言，取出数据包5的来源地址与目的地址的最后三个位，执行异或(XOR)的逻辑运算，其运算结果为0到7的其中之一值以作为该数据包5的标签。

程序102：负载分析

在一预设的固定周期时段后，取得各标签(例如标签值0到7)在程序101中，指定给数据包5的负载量作为负载分析。

程序103：方法评估

根据程序102所获得各标签的负载量计算结果，以评估不同的标签分配方法所达到的负载分配情形，以动态选择下一周期的标签分配方法调整各实体输出端口9的负载量。在本发明的较佳实施例中揭露了两种负载分配方法。

程序104：分配指定

在经程序103评估出标签分配最佳化的方法后，依该方法分配各标签给实体输出端口9，遂使各数据包5依据程序101所指定的标签依该方法分配的路径由对应的实体输出端口9传输。

程序105：经过预设时段

在一预设的固定周期时段内，持续累计各标签(例如标签值0到7)的传输数据包负载量。

当交换系统经程序101到程序104，可在实体输出端口9达到最佳负载平衡分配，并在程序105的预设时段后再返回到程序102对下一周期的数据包5进行最佳负载平衡分配。

Claims

1.一种负载平衡装置，实施于逻辑端口中，该逻辑端口包含多个实体输出端口，其特征在于：该负载平衡装置包含：

一标签指定器，与输入端口相连并将多个标签之一指定给该逻辑端口所接收的数据包，所述标签指定器取出所述数据包的来源地址与目的地址的部分位执行运算，以指定为该数据包的标签；

一标签分配器，一端与标签指定器相连，另一端与所述多个实体输出端口相连，根据多个标签值数据包的平均负载量来决定每一标签的传输路径，使得该数据包由多个实体输出端口之一传输；以及

一负载监视器，并联于所述标签指定器与标签分配器之间，用以监视每一个标签的负载量，所述负载监视器在预设固定周期时间后对标签指定器计算相关于各标签数据包的数据包负载量，并以此负载计算结果决定相应的标签分配方法；

其中，所述标签分配器根据负载监视器所指定的标签分配方法将数据包动态地分配给各实体输出端口。

2.如权利要求1所述的负载平衡装置，其特征在于：所述标签指定器取出所述数据包的来源地址与目的地址的最后三个位。

3.如权利要求1或2所述的负载平衡装置，其特征在于：所述标签指定器将取出的位执行异或运算，以作为该数据包的标签值。

4.如权利要求3所述的负载平衡装置，其特征在于：所述负载监视器于一固定周期中累计相关于该标签值的一数据包总长度作为所述负载量。

5.如权利要求4所述的负载平衡装置，其特征在于：所述负载监视器根据所述负载量以决定所述路径，以使所述多个实体输出端口获得负载平衡。