專利名稱：集群網(wǎng)絡(luò)的單一地址流量分發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)領(lǐng)域，是一種用于構(gòu)建高可用性、高可擴(kuò)展性集群網(wǎng)絡(luò)的單一地址流量分發(fā)器。
二、技術(shù)背景快速增長的網(wǎng)上活動使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的訪問量大大增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的許多關(guān)鍵部位成為性能瓶頸或者帶寬瓶頸。目前，普遍采用第四層負(fù)載均衡器或者交換機(jī)物理端口的Trunking(鏈路聚集)的方法解決這個問題。第四層負(fù)載均衡器可以解決性能瓶頸的問題，但是它只能提供一個上行的入口，無法增加上行的網(wǎng)絡(luò)帶寬；Trunking技術(shù)，可以解決網(wǎng)絡(luò)帶寬問題，但是Trunking的物理端口必須連接同一臺服務(wù)節(jié)點，無法提高處理性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計單一地址流量分發(fā)器，通過將多個物理端口綁定成一個虛擬物理端口來擴(kuò)展上行的流量，并根據(jù)客戶端的IP地址將網(wǎng)絡(luò)流量分到不同的處理節(jié)點實現(xiàn)提高擴(kuò)展處理能力。而且該分發(fā)器保證了前后關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包分配到同一個物理端口做后續(xù)的處理。
四

附圖1為單一地址流量分發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖；1為綁定得物理端口；2為內(nèi)部交換芯片；3為虛擬的IP地址和MAC地址；4為客戶訪問物理端口。
附圖2為接收報文流程圖；附圖3為轉(zhuǎn)發(fā)器所用表格；1、轉(zhuǎn)發(fā)表描述物理端口和Hash值得對應(yīng)關(guān)系。
2、物理端口信息登記表紀(jì)錄每個物理端口的信息，包括流量信息，和連接在該物理端口的節(jié)點地址信息。
3、物理端口備份關(guān)系表紀(jì)錄物理端口的備份信息。
附圖4為防火墻應(yīng)用方案；采用兩個單一地址流量分發(fā)器，中間連接多個防火墻服務(wù)器。
附圖5為單一地址流量分發(fā)器級聯(lián)應(yīng)用方案。
參照

對本發(fā)明的分發(fā)器作以下詳細(xì)的說明。
a/該分發(fā)器是通過在單一地址流量分發(fā)器上將多個物理端口綁定成一個虛擬物理端口來擴(kuò)展上行的數(shù)據(jù)流量，并根據(jù)客戶端的IP地址將網(wǎng)絡(luò)流量分配到不同的處理節(jié)點上來實現(xiàn)第三層負(fù)載均衡；b/該分發(fā)器是通過將前后關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包分發(fā)到同一個物理端口上以提高處理能力；c/該分發(fā)器還通過功能的硬件化以提高數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)速度；
d/該分發(fā)器對外提供一個單一虛擬IP地址和單一的虛擬物理地址MAC；e/該分發(fā)器可綁定物理端口的數(shù)目取決于分發(fā)器所擁有的物理端口數(shù)目，當(dāng)物理端口數(shù)目為N時，那么分發(fā)器可綁定的物理端口數(shù)為2~(N-1)。
第三層負(fù)載均衡是以位于網(wǎng)絡(luò)第三層客戶端的IP地址為依據(jù)將數(shù)據(jù)報文分發(fā)到不同的綁定物理端口，每個綁定物理端口連接的節(jié)點是并行處理VIP請求的一部分。
以客戶端的IP地址為依據(jù)計算客戶端的IP地址的Hash值，查詢Hash轉(zhuǎn)發(fā)表可得到該IP地址所發(fā)數(shù)據(jù)包應(yīng)經(jīng)過的物理端口，若Hash轉(zhuǎn)發(fā)表沒有該Hash值的紀(jì)錄，該分發(fā)器按照加權(quán)最小連接方法或者加權(quán)輪巡方法為新的Hash值分配物理端口，并記錄到Hash轉(zhuǎn)發(fā)表中。
Hash轉(zhuǎn)發(fā)表定期記錄每個Hash值所對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量，物理端口號由該裝置內(nèi)部指定，Hash值和物理端口號可以采用一對一的對應(yīng)關(guān)系，也可以采用多對一的對應(yīng)關(guān)系。
Hash值和物理端口號采用多對一的對應(yīng)關(guān)系，IP地址可計算出的Hash值的數(shù)量大于綁定物理端口的數(shù)量，一般定義為綁定物理端口數(shù)量的2的N次方倍，N為非負(fù)整數(shù)，可由用戶自己調(diào)整，如綁定物理端口數(shù)為4，可選擇的能計算出的hash值的數(shù)量有4、8、16、32等。
記錄每個Hash值所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)流量，可以根據(jù)其流量和參照物理端口信息登記表，選擇恰當(dāng)?shù)姆绞?，?dāng)物理端口流量不均衡時，重新組合物理端口號與Hash值的關(guān)系以均衡各物理端口分配的網(wǎng)絡(luò)流量。
物理端口信息登記表記錄每個物理端口的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的上下限以及連接該物理端口節(jié)點的地址信息，物理端口流量達(dá)到U_line時，說明與該物理端口所連接的節(jié)點的處理能力已經(jīng)達(dá)到上限，該上限由用戶根據(jù)相連物理端口的處能力指定。
轉(zhuǎn)發(fā)報文到綁定物理端口，把報文的目的IP地址和MAC地址從單一地址流量分發(fā)器所設(shè)定的虛擬IP地址和虛擬MAC地址修改為該綁定物理端口所對應(yīng)節(jié)點的IP地址和虛擬MAC地址。
連接綁定物理端口的節(jié)點，可以是真實服務(wù)器，第四層負(fù)載均衡器，防火墻，路由器，也可以是另一個單一地址流量分發(fā)器。
另一個單一地址流量分發(fā)器是指構(gòu)造一個二級的轉(zhuǎn)發(fā)器，同樣，也可以構(gòu)造多級轉(zhuǎn)發(fā)器。
前后關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包，是來自同一用戶的相互之間具有一定關(guān)系的數(shù)據(jù)包，需要同一臺服務(wù)器節(jié)點進(jìn)行處理，如同一連接的第一個包和后續(xù)的包，ftp建立的一次控制連接和多個數(shù)據(jù)連接具有相同ssl的http請求等。
保證前后關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包分發(fā)到相同的物理端口是指同一源IP的數(shù)據(jù)包被接收后，通過Hash算法所得到的Hash值是相同的，這些數(shù)據(jù)包都從這個相同的Hash值對應(yīng)同一物理端口中被分發(fā)出去。
功能的硬件化是將Hash算法程序固化在ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)芯片中作為分發(fā)器的核心來提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速度，Hash算法可以采用以下公式表示Value＝Mod(Source_IP，n)Value＝Mod(Source_IP*2654435761，n)2654435761是介于32位IP地址之間的一個質(zhì)數(shù)，n是模，可以等于綁定的物理端口數(shù)，也可以是綁定物理端口的數(shù)目的整數(shù)倍。
提高可擴(kuò)展性是通過擴(kuò)展連接綁定物理端口上的節(jié)點來實現(xiàn)，其擴(kuò)展的最大數(shù)目由該單一IP轉(zhuǎn)發(fā)器裝置的可綁定物理端口數(shù)目決定。
高可用性是當(dāng)與某個物理端口相連的節(jié)點出現(xiàn)問題時，單一地址流量分發(fā)器可以根據(jù)實現(xiàn)協(xié)商的備份策略將失效節(jié)點所對應(yīng)物理端口的數(shù)據(jù)包發(fā)送到備份節(jié)點所對應(yīng)的物理端口上。
五、實施方式1，綁定多個物理端口對外提供單一虛擬IP和虛擬MAC。
(如附圖1所示)本發(fā)明的分發(fā)器在內(nèi)部提供一個虛擬的IP地址和MAC地址，為客戶端提供一個單一的訪問地址，當(dāng)接收到ARP包時，直接將虛擬的MAC返回給用戶。該IP地址和MAC地址可以通過專用控制接口或網(wǎng)絡(luò)登陸到單一地址流量分發(fā)器來設(shè)定。綁定物理端口的數(shù)目默認(rèn)為該裝置物理端口總數(shù)的一半，目的是保持進(jìn)出該裝置的網(wǎng)絡(luò)流量的平衡，當(dāng)然也可以根據(jù)用戶的需要，調(diào)節(jié)綁定物理端口數(shù)。
2、(如附圖3所示)對客戶端IP地址按照Hash算法進(jìn)行計算，得出Hash值，并根據(jù)Hash轉(zhuǎn)發(fā)表，將不同Hash值的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到不同的綁定物理端口，實現(xiàn)可靠的第三層負(fù)載均衡功能。
(如附圖2流程圖所示)當(dāng)單一地址流量分發(fā)器接受一個數(shù)據(jù)包的時候，轉(zhuǎn)發(fā)的方法是通過修改報文的目的IP地址和MAC地址。從客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)包，其目的IP地址和目的MAC地址是單一地址流量分發(fā)器的虛擬IP和虛擬MAC，在經(jīng)過該裝置時，這兩個地址被Hash值所指定物理端口后端真實的節(jié)點的IP地址和MAC地址所代替，使數(shù)據(jù)包可以轉(zhuǎn)發(fā)到該真實節(jié)點。同樣返回的數(shù)據(jù)包，其目的IP地址和MAC地址是客戶端的地址，源地址是真實節(jié)點的IP和MAC地址，在通過單一地址流量分發(fā)器的時候，需要把源地址修改為虛擬地址。
3、采用恰當(dāng)?shù)腍ash值與物理端口的分配方案可以使網(wǎng)絡(luò)流量更均衡。
訪問的數(shù)據(jù)包中有一些是通過代理，有一些是直接訪問，這就造成了不同源IP之間訪問流量的不均衡。假設(shè)該裝置有4個可以綁定的物理端口，目前有8個源IP，它們的流量分布如下IP1 IP2IP3IP4IP5IP6IP7IP8800 700500200300200100100如果Hash算法中的n取4，IP1和IP2得到同一個Hash值，其數(shù)據(jù)包被分發(fā)到同一個物理端口，同樣，IP3和IP4，IP5和IP6，IP7和IP8分別分發(fā)到相同的物理端口，那么各物理端口分配的流量如下
物理端口號 1 2 3 4相同Hash值IPIP1，IP2IP3，IP4IP5，IP6IP7，IP8流量1500700 500 200如果Hash算法中的n取8，則每個源IP都得到一個Hash值，本裝置可以根據(jù)Hash轉(zhuǎn)發(fā)表中的每個Hash值對應(yīng)的流量，按照恰當(dāng)?shù)乃惴ǎ侠淼姆峙涓鱄ash值對應(yīng)的物理端口號，可以得到下面的分配方案物理端口號 1 2 3 4相同Hash值IPIP1 IP2 IP3，IP6IP4，IP5，IP7，IP8流量800 700 700 700如上表所示可見網(wǎng)絡(luò)流量更加均衡。
4、硬件實現(xiàn)功能把Hash算法程序燒錄在ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)芯片中作為該裝置的核心，以提高轉(zhuǎn)發(fā)的速度。
5、高可擴(kuò)展性該裝置可以根據(jù)可綁定的物理端口數(shù)擴(kuò)展連接到各物理端口的節(jié)點數(shù)(可綁定的物理端口數(shù)可以調(diào)整)，其最大的擴(kuò)展數(shù)是N-1，N是該裝置的物理端口數(shù)。
6、高可用性當(dāng)與某個物理端口相連的服務(wù)器出現(xiàn)問題時，可以采取下面兩種保證所提供的服務(wù)正常運行a)如果后續(xù)節(jié)點之間無備份，則調(diào)整hash算法參數(shù)，自動根據(jù)流量調(diào)整的算法來改變結(jié)果和物理端口的對應(yīng)關(guān)系。
b)虛擬物理端口之間或后續(xù)節(jié)點之間有備份關(guān)系，則將失效物理端口的所有包發(fā)向具有備份功能的節(jié)點。虛擬物理端口之間若有一種對應(yīng)關(guān)系，這種對應(yīng)關(guān)系反映了各物理端口之間的備份關(guān)系，這些關(guān)系在該設(shè)備中可以通過一張表來描述，(如附圖3表3所示)，當(dāng)某個物理端口對應(yīng)的鏈路不通時(處理節(jié)點宕機(jī)或鏈路問題)，發(fā)往各物理端口的包將發(fā)到備份物理端口。
7、可以采用的應(yīng)用方式a)直接連接真實服務(wù)器(充當(dāng)小型集群的負(fù)載均衡器)按照Hash方法分配用戶，同一用戶的所有數(shù)據(jù)包將被分發(fā)到相同的真實服務(wù)器上，由于同一連接的源IP是相同的，因此，所有數(shù)據(jù)都會被發(fā)向同一個物理端口，即被同一個真實服務(wù)器接收。
b)連接多個集群調(diào)度器如果集群上行數(shù)據(jù)量比較大，可以使用多個負(fù)載均衡器，該設(shè)備可以為多個負(fù)載均衡器提供唯一的虛擬ip地址，由于負(fù)載均衡器既要均衡負(fù)載，也要保證將屬于同一連接的數(shù)據(jù)包發(fā)送到后臺的同一臺真實服務(wù)器去處理，所以，必須將屬于前后相關(guān)的數(shù)據(jù)包分配給同一個負(fù)載均衡器，該設(shè)備以IP地址來區(qū)分不同的上行數(shù)據(jù)包，只要源IP相同，數(shù)據(jù)包將被送到設(shè)備的同一物理端口，從而為同一調(diào)度器來調(diào)度。
c)連接集群防火墻防火墻容易成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，因此，構(gòu)建集群防火墻是防火墻的一個發(fā)展趨勢，集群防火墻也需要對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分流?？捎脝我坏刂妨髁糠职l(fā)器完成此工作，如附圖4所示。
d)實現(xiàn)多級轉(zhuǎn)發(fā)器(如附圖3、附圖5和表2所示)該設(shè)備可以級聯(lián)，級聯(lián)的基礎(chǔ)是一個物理端口對應(yīng)不同的多個hash值，如設(shè)備1給port1分配的hash值為1，2，3，4，5；給port5分配的21、22、23、24、25。則設(shè)備2可進(jìn)一步給設(shè)備2的1、2、3、4、5物理端口分配hash值1、2、3、4、5，設(shè)備3可進(jìn)一步給設(shè)備3的物理端口1、2、3、4、5分配hash值21、22、2、3、24、25，。此時，其物理端口信息登記表中的U_line值可以視二級轉(zhuǎn)發(fā)器綁定的數(shù)目設(shè)置為連接二級轉(zhuǎn)發(fā)器的整數(shù)倍。
e)連接機(jī)群路由器集群路由器可用交換機(jī)去構(gòu)造，此設(shè)備可代替交換機(jī)，構(gòu)造方法同集群防火墻。
權(quán)利要求
1.集群網(wǎng)絡(luò)單一地址流量分發(fā)器，其特征在于a/該分發(fā)器是通過在單一地址流量分發(fā)器上將多個物理端口綁定成一個虛擬物理端口來擴(kuò)展上行的數(shù)據(jù)流量，并根據(jù)客戶端的IP地址將網(wǎng)絡(luò)流量分配到不同的處理節(jié)點上來實現(xiàn)第三層負(fù)載均衡；b/該分發(fā)器是通過將前后關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包分發(fā)到同一個物理端口上以提高處理能力；c/該分發(fā)器還通過功能的硬件化以提高數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)速度；d/該分發(fā)器對外提供一個單一虛擬IP地址和單一的虛擬物理地址MAC；e/該分發(fā)器可綁定物理端口的數(shù)目取決于分發(fā)器所擁有的物理端口數(shù)目，當(dāng)物理端口數(shù)目為N時，那么分發(fā)器可綁定的物理端口數(shù)為2～(N-1)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的分發(fā)器，其特征在于第三層負(fù)載均衡是以位于網(wǎng)絡(luò)第三層客戶端的IP地址為依據(jù)將數(shù)據(jù)報文分發(fā)到不同的綁定物理端口，每個綁定物理端口連接的節(jié)點是并行處理VIP請求的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利2所述的分發(fā)器，其特征在于以客戶端的IP地址為依據(jù)計算客戶端的IP地址的Hash值，查詢Hash轉(zhuǎn)發(fā)表可得到該IP地址所發(fā)數(shù)據(jù)包應(yīng)經(jīng)過的物理端口，若Hash轉(zhuǎn)發(fā)表沒有該Hash值的紀(jì)錄，該分發(fā)器按照加權(quán)最小連接方法或者加權(quán)輪巡方法為新的Hash值分配物理端口，并記錄到Hash轉(zhuǎn)發(fā)表中，Hash轉(zhuǎn)發(fā)表定期記錄每個Hash值所對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量，物理端口號由該裝置內(nèi)部指定，Hash值和物理端口號可以采用一對一的對應(yīng)關(guān)系，也可以采用多對一的對應(yīng)關(guān)系，Hash值和物理端口號采用多對一的對應(yīng)關(guān)系，IP地址可計算出的Hash值的數(shù)量大于綁定物理端口的數(shù)量，一般定義為綁定物理端口數(shù)量的2的N次方倍，N為非負(fù)整數(shù)，可由用戶自己調(diào)整，如綁定物理端口數(shù)為4，可選擇的能計算出的hash值的數(shù)量有4、8、16、32等，記錄每個Hash值所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)流量，可以根據(jù)其流量和參照物理端口信息登記表，選擇恰當(dāng)?shù)姆绞剑?dāng)物理端口流量不均衡時，重新組合物理端口號與Hash值的關(guān)系以均衡各物理端口分配的網(wǎng)絡(luò)流量。
4.根據(jù)權(quán)利3所述的分發(fā)器，其特征在于物理端口信息登記表記錄每個物理端口的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的上下限以及連接該物理端口節(jié)點的地址信息，物理端口流量達(dá)到U_line時，說明與該物理端口所連接的節(jié)點的處理能力已經(jīng)達(dá)到上限，該上限由用戶根據(jù)相連物理端口的處理能力指定。
5.根據(jù)權(quán)利4所述的分發(fā)器，其特征在于轉(zhuǎn)發(fā)報文到綁定物理端口，把報文的目的IP地址和MAC地址從單一地址流量分發(fā)器所設(shè)定的虛擬IP地址和虛擬MAC地址修改為該綁定物理端口所對應(yīng)節(jié)點的IP地址和虛擬MAC地址。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的分發(fā)器，其特征在于連接綁定物理端口的節(jié)點，可以是真實服務(wù)器，第四層負(fù)載均衡器，防火墻，路由器，也可以是另一個單一地址流量分發(fā)器，另一個單一地址流量分發(fā)器是指構(gòu)造一個二級的轉(zhuǎn)發(fā)器，同樣，也可以構(gòu)造多級轉(zhuǎn)發(fā)器。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的分發(fā)器，其特征在于前后關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包，是來自同一用戶的相互之間具有一定關(guān)系的數(shù)據(jù)包，需要同一臺服務(wù)器節(jié)點進(jìn)行處理，如同一連接的第一個包和后續(xù)的包，ftp建立的一次控制連接和多個數(shù)據(jù)連接具有相同ssl的http請求等。
8.根據(jù)權(quán)利1所述的分發(fā)器，其特征在于保證前后關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包分發(fā)到相同的物理端口是同一源IP的數(shù)據(jù)包被接收后，通過Hash算法所得到的Hash值是相同的，相同的Hash值對應(yīng)同一物理端口，這些數(shù)據(jù)包都從這個物理端口被分發(fā)出去。
9.根據(jù)權(quán)利1所述的分發(fā)器，其特征在于功能的硬件化是將Hash算法程序固化在ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片中作為分發(fā)器的核心來提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速度，Hash算法可以采用以下公式表示Value＝Mod(Source_IP，n)Value＝Mod(Source_IP*2654435761，n)2654435761是介于32位IP地址之間的一個質(zhì)數(shù)，n是模，可以等于綁定的物理端口數(shù)，也可以是綁定物理端口的數(shù)目的整數(shù)倍。
10.根據(jù)權(quán)利1所述的分發(fā)器，其特征在于高擴(kuò)展性是通過擴(kuò)展連接綁定物理端口上的節(jié)點來實現(xiàn)，其擴(kuò)展的最大數(shù)目由該單一IP轉(zhuǎn)發(fā)器裝置的可綁定物理端口數(shù)目決定，高可用性是當(dāng)與某個物理端口相連的節(jié)點出現(xiàn)問題時，單一地址流量分發(fā)器可以根據(jù)實現(xiàn)協(xié)商的備份策略將失效節(jié)點所對應(yīng)物理端口的數(shù)據(jù)包發(fā)送到備份節(jié)點所對應(yīng)的物理端口上。
全文摘要
本發(fā)明提供一個集群網(wǎng)絡(luò)單一地址流量分發(fā)器，該分發(fā)器通過將多個物理端口綁定成一個虛擬物理端口來擴(kuò)展上行的流量，并根據(jù)客戶端的IP地址將網(wǎng)絡(luò)流量分發(fā)到不同的處理節(jié)點來提高或擴(kuò)展處理能力。它是將后臺的多臺服務(wù)節(jié)點映射為單一的IP和MAC地址。請求該IP的數(shù)據(jù)包將被分配到裝置中不同的物理端口，分流過程以ASIC技術(shù)來實現(xiàn)，流量分類的依據(jù)是對客戶端IP地址求Hash值，由于同一用戶的數(shù)據(jù)被分配在同一物理端口，可為與物理端口相連的節(jié)點提供持續(xù)服務(wù)。本發(fā)明的裝置可應(yīng)用于要求對上行流量進(jìn)行分流的場合第三層負(fù)載均衡器，集群路由器和集群防火墻的流量分配，以及大流量集群的多個調(diào)度器的上行流量的分流。
文檔編號H04L12/56GK1595906SQ20031011461
公開日2005年3月16日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者侯宗浩, 董小社, 張露, 劉愛華, 胡雷鈞 申請人:浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司