CN1599351A

CN1599351A - 构建高性价比机群网络负载均衡转发器的方法

Info

Publication number: CN1599351A
Application number: CNA2003101146110A
Authority: CN
Inventors: 董小社; 刘爱华; 王恩东; 钱德沛; 张露; 伍卫国
Original assignee: Langchao Electronic Information Industry Co Ltd
Current assignee: Inspur Electronic Information Industry Co Ltd
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2005-03-23

Abstract

本发明提供一种构建高性价比机群网络负载均衡转发器的方法，该方法是利用网络第二层交换机的链路聚集功能，将多个符合IEEE802.3ad标准的物理链路捆绑成一条逻辑链路，实现多个物理链路同时具有高可用性和负载均衡特性，并采用分层拓扑结构和层次级联的连接方式，构建成多层高性价比机群网络负载均衡转发器。本发明的方法与现有同类技术相比，可完全采用普通和相对低廉的商业组件就能构建具有性价比高、扩展性好、可用率高的计算机网络负载均衡转发器，因此具有很好的推广应用价值和市场前景。

Description

构建高性价比机群网络负载均衡转发器的方法

1、技术领域

本发明涉及计算机应用技术领域，具体地说是一种高可用高可扩展高性价比的机群网络转发器技术，主要是适用于机群转发器系统。

2、技术背景

由于互联网络的飞速发展，现有的服务器机群和数据中心难以满足日益增长的性能要求。除了升级带宽，机群转发器系统是解决机群系统和数据中心性能问题很好的解决方案，但是传统的机群转发器系统难以动态扩展，而且往往成为系统的瓶颈和单一故障点。因此，必须通过高可扩展，高可用机制，对原有技术进行改进。

3、发明内容

本发明的目的是提供一种构建高可扩展性、高可用性和高性价比的机群网络转发器的方法。

高可扩展性是指通过增加资源以满足不断增长的对性能和功能的要求，或者是通过缩减资源，以降低成本，从涵盖硬件和软件的角度上讲，我们可以把符合这种特性的计算机系统称作是可扩展的提供更好的性能、更多的功能。系统的总体计算能力应该随着资源的增加而按照比例增展。理想的情况是，增长的速度是线性的。成本的增加应该小于N或者NlogN的一个线性系数。

可兼容性：包括硬件、系统软件和应用软件在内的组成部分。

高可用性是指当系统中出现软件或硬件故障时应用还能持续可用的系统，通常通过系统部件的复制来实现。如果一些部件不可用，其备份部件会代替其继续工作。高可用系统通常由两个或多个节点组成，这些节点通过互联网络直接或间接相连。

高性价比是指和同类产品相比，使用相对低廉的成本而达到相似的性能或者使用相同的成本而具有更高的性能。达到高性价比的途径之一就是完全采用普通商业组件来构造转发器系统，达到同类产品的相似的性能。

4、附图说明

附图1为转发器的工作原理示意图；

1)转发器设备将收到的报文通过Trunking技术选择一条物理链路发送给转发器；

2)转发器将收到的报文根据其源IP地址和IP地址划分规则转发给负载均衡器；

3)负载均衡器根据负载均衡算法将请求转发给后端真实服务器；

附图2为转发器在100M环境下可扩展性测试结果图标；

1)测试网络环境为100M；

2)测试工具为Webbench5.0；

3)测试客户端配置为：PIII CPU，256M内存；

4)测试服务器配置均为浪潮NF260。

附图3为转发器在1000M环境下可扩展性曲线图。

1)测试网络环境为1000M；

2)采用压力测试，模拟客户端的数目为16384；

3)测试用的服务器均采用浪潮NF260；

4)如附图所示，随着转发器机数目增加，其性能越来越好，甚至超过线性；其原因在于单台转发器机的性能随着模拟客户端数目的增加其性能也相应变坏。单台转发器机执行负载均衡的主要开销在于接收报文，建立、查找、维护连接纪录表和转发报文，这样在相同客户端数目的情况下，如果单台转发器机的连接表大小为N，那么2台转发器机时每台转发器机连接表大小为N/2，相应M台转发器机时每台连接表的大小为N/M，这样随着转发器机数目的增加，每台转发器机接收和转发报文的能力不变，而维护连接表的数目大大减少，其查找连接记录的效率也大大提高，负载均衡能力也明显相应提高，从而表现出性能的非线性较线性还好的改善。

5、实施方式

本发明的目的是按以下方式实现的，利用网络第二层交换机的链路聚集功能，将多个符合IEEE802.3ad标准的物理链路捆绑成一条逻辑链路，实现多个物理链路同时具有高可用性和负载均衡特性，并采用分层拓扑结构和层次级联的连接方式，构建成多层高性价比机群网络负载均衡转发器。

一条逻辑链路所捆绑物理链路数目的最大值等于交换机所支持的一组最大物理链路的条数，一条逻辑链路所聚集的多个物理链路中，如果某条物理链路失效，交换机将自动将该条物理链路的负载切换到其他可用的物理链路上，实现链路的高可用性。

链路聚集的负载均衡特性是对应于一条逻辑链路的多条物理链路之间根据轮循计算法实现流量均衡。

分层拓扑结构是根据网络OSI模型，将该转发器划分为层次独立的功能组件，下层组件为上层组件提供服务。

层级级联的连接方式是将转发器的分层组件通过层次级联的方式互联起来，如附图1所示。

四层以下的转发器的配置数量可以通过修改第三层转发器的转发表而动态的增加，实现可扩展性。

第三层转发器接收第二层链路聚集的报文，然后根据接收报文的源IP地址，实现负载均衡转发功能。

第三层转发器的负载均衡功能是根据链路聚集报文的源IP地址，将报文按照源IP进行划分，然后转发到不同的后端转发器上。

同组的转发器之间互为备份，互相监视健康状态，如果某转发器失效，将由其他转发器接管该失效的转发器。

互为备份技术为同组转发器根据各自的标志ID来实现互相备份数据。

同组转发器是将共同执行同一虚拟目的IP地址的多个转发器划分为一组，同组内的转发器通过唯一的标志ID来互相区分和互相监视健康状态。

互相监视健康状态是同组的转发器根据各自的标志ID来定期交换心跳信息，在设定的时间间隔内没有收到对方的心跳信息，则认为对方已经失效，同时进行失效接管。

失效接管是在某台转发器失效时，将由备份其数据的转发器来接管其负载，从而实现服务不中断。

在本发明的方法中，第四层转发器是利用网络传输层特性、IP地址和服务端口号以及第四层负载均衡算法，在后端真实服务器之间进行负载均衡。

第四层负载均衡算法是根据服务器负载状况，给接收的报文选择具体真实服务器的负载均衡算法，负载均衡算法包括轮循算法、最小连接算法、加权轮循算法、加权最小连接算法和持续性连接算法。

第四层转发器根据所选择的具体负载均衡算法，将用户请求报文的目的地址或者MAC修改为根据算法选择出的后端真实服务器的地址或者MAC，然后将

请求报文转发出去，从而实现负载均衡。

四层以下的转发器是利用各层的网络特性和根据各层的负载均衡算法，基于协议内容进行负载均衡。

末层第七层负载均衡算法是根据服务内容特性，给接收到的连接请求选择具体真实服务器来处理的算法，并根据用户请求服务内容分发给由具体负载均衡算法选择出的后端真实服务器，具体负载均衡算法包括URL调度算法，HTTP报头调度算法和Cookie调度算法。

本发明的方法具有以下特点：

1)机群网络负载均衡转发器的功能、性能和可扩展性：

利用二层交换机的Trunking功能，通过增加链路聚集的链路数目，实现第二层的动态扩展，实现网络二至七层的可扩展性；其带宽的扩展是线性的；

利用网络第二层交换机的链路聚集功能，将多个符合IEEE802.3ad标准的物理链路捆绑成一条逻辑链路，实现多个物理链路同时具有高可用性和负载均衡特性，并采用分层拓扑结构和层次级联的连接方式，构建第三层高性价比机群网络负载均衡转发器。第三层机群网络负载均衡转发器的数目可以随着Trunking链路的数量动态的扩展；通过增加其转发表，可以实现网络第三层的动态扩展性；

构建四到七层机群网络负载均衡转发器，可以随着第三层负载均衡转发器支持的转发表动态的扩展；通过修改负载均衡规则，可以实现四至七层的可扩展性，后台真实服务器可以随着高层负载均衡器数目动态的扩展，理论上可以无限扩展；二至七层相互独立，可以根据需要进行组合使用，具有扩展的灵活性；可扩展性测试结果如附图2、3所示。

2)机群网络负载均衡转发器的高可用性：

利用二层交换机Trunking特性，实现网络第二层的高可用性；当某条聚集链路失效时，该条链路的流量将自动扩展分配到其他的链路上；

利用负载均衡转发器高可用软件，实现网络第三层的高可用性，当对应某条聚集链路的转发器失效后，将由高可用软件检测到，并将该负载均衡转发器的负载动态切换到其他正常的负载均衡转发器上；

同样，利用四至七层负载均衡器的高可用特性，实现网络四至七层的高可用性；

3)机群网络负载均衡转发器性价比得到提升：

通过性能的扩展性，该系统完全采用普通商业组件构成，因而成本低；

用浪潮服务器和具有Trunking功能的交换机集成，可比同性能的其他转发器机设备性价比提升1-2倍；对于典型配置，用Trunking功能交换机(具有4Trunking端口)和4台浪潮服务器取代8端口内容交换机，性能提升高而成本低廉。

性价比比较如下表所示：

设备名称端口数性能价格

Nortel Alteon 184 9 10/100/1000M 14000Http connections/s 200K RMB

本发明的产品 8 10/100/1000M 44000Http connections/s 150K RMB

4)可兼容性：

本发明的产品采用完全的分层设计，第二层的Trunking交换机，第三层负载均衡转发器以及四到七层负载均衡转发器之间层次独立，可以各自独立升级，具有很好的兼容性。

5)延迟问题：

由于广域网的延迟一般较大，约为10～70毫秒，所以本发明的转发器设备虽然增加了转发的次数，但是导致延迟增加仅仅大约10~70微秒，对于广域网应用几乎没有影响。

本发明的方法与现有同类技术相比，完全采用普通商业组件就能构建具有性价比高、扩展性好、可用率高的计算机网络负载均衡转发器，可完全采用普通和相对低廉的商业组件就能构建具有性价比高、扩展性好、可用率高的计算机网络负载均衡转发器，因此具有很好的推广应用价值和市场前景。

Claims

1.构建高性价比机群网络负载均衡转发器的方法，其特征在于利用网络第二层交换机的链路聚集功能，将多个符合IEEE802.3ad标准的物理链路捆绑成一条逻辑链路，实现多个物理链路同时具有高可用性和负载均衡特性，并采用分层拓扑结构和层次级联的连接方式，构建成多层高性价比机群网络负载均衡转发器。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于一条逻辑链路所捆绑物理链路数目的最大值等于交换机所支持的一个链路聚集组最大物理链路的条数，一条逻辑链路所聚集的多个物理链路中，如果某条物理链路失效，交换机将自动将该条物理链路的负载切换到其他可用的物理链路上，实现链路的高可用性；链路聚集的负载均衡特性是对应于一条逻辑链路的多条物理链路之间根据轮循计算法实现流量均衡；分层拓扑结构是根据网络OSI模型，将该机群网络负载均衡转发器划分为层次独立的功能组件，下层组件为上层组件提供服务；层级级联的连接方式是将转发器的分层组件通过层次级联的方式相互联接。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于四层以下以上的转发器的配置数量可以通过修改第三层转发器的转发表而动态的增加，实现可扩展性；第三层转发器接收第二层链路聚集的报文，然后根据接收报文的源IP地址，实现负载均衡转发功能。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征为第三层转发器的负载均衡功能是根据链路聚集报文的源IP地址，将报文按照源IP进行划分，然后转发到不同的后端转发器上，同组的转发器之间互为备份，互相监视健康状态，如果某转发器失效，将由其他转发器接管该失效的转发器，互为备份技术为同组转发器根据各自的标志ID来实现互相备份数据，

5、根据权利要求3、4所述的方法，其特征为同组转发器是将共同执行同一虚拟目的IP地址同一层上的多个转发器划分为一组，同组内的转发器通过唯一的标志ID来互相区分和互相监视健康状态，互相监视健康状态是同组的转发器根据各自的标志ID来定期交换心跳信息，在设定的时间间隔内没有收到对方的心跳信息，则认为对方已经失效，同时进行失效接管，失效接管是在某台转发器失效时，将由备份其数据的转发器来接管其负载，从而实现服务不中断。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征为第四层转发器是利用网络传输层特性、IP地址和服务端口号以及第四层负载均衡算法，在后端真实服务器之间进行负载均衡，第四层负载均衡算法是根据服务器负载状况，给接收的报文选择具体真实服务器的负载均衡算法，负载均衡算法包括轮循算法，最小连接算法，加权轮循算法，加权最小连接算法，持续性连接算法，第四层以上转发器根据所选择的具体负载均衡算法，是将用户请求报文的目的地址或者MAC修改为根据算法选择出的后端真实服务器的地址或者MAC，然后将请求报文转发出去，从而实现负载均衡，四层以下的转发器是利用各层的网络特性和根据各层的负载均衡算法，基于协议内容进行负载均衡。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征为末层第七层负载均衡算法是根据服务内容特性，给接收到的连接请求选择具体真实服务器来处理的算法，并将用户请求分发给根据服务内容由具体的负载均衡算法选择出的后端真实服务器，上述算法包括URL调度算法，HTTP报头调度算法和Cookie调度算法。