什么是负载分担
负载分担(Load Balance)是指网络节点在转发流量时,将负载(流量)分摊到多条链路上进行转发,从而提高系统的可用性、可靠性和性能。
负载分担解决了什么问题
网络中的服务器或节点的计算和存储能力是有上限的,但由于流量的不均衡转发,可能会出现某些服务器或节点过度负载,而其他服务器或节点则相对空闲的情况。这样降低了该网络的计算和存储能力,也容易出现单点故障。为了最大化利用服务器或节点的计算和存储能力,同时保证系统的稳定性和安全性,就出现了负载分担技术。
负载分担的分类
负载分担主要有三种,分别是路由负载分担,隧道负载分担和Trunk接口负载分担。
- 路由负载分担
路由负载分担,指在网络节点之间,去往同一个目的地存在多条转发路径,流量被分担到多条路径上进行转发。
目前在华为路由器中,支持RIP、RIPng、OSPF、OSPFv3、IS-IS、BGP路由和静态路由的负载分担。
在路由选路时,多条路由要形成负载分担,要求这些路由必须是等价路由。而不同协议的路由,无法评价其是等价还是不等价。因此,参与路由负载分担的多条路由必定是属于同一个路由协议;不同路由协议的路由无法形成负载分担。
- 隧道负载分担
隧道负载分担是指VPN场景下,在入口PE节点上,存在去往同一个目的PE的多条隧道,流量被分担到多条隧道上进行转发。MPLS VPN支持使用如下几种隧道类型:
- LSP(Label Switched Path):指LDP LSP、BGP LSP或者静态LSP。
- CR-LSP(Constraint-based Routed Label Switched Path):指RSVP-TE CR-LSP,或者静态CR-LSP。与LSP相比,CR-LSP满足一定的约束条件,例如满足指定的带宽或路径。
- GRE(Generic Routing Encapsulation):使用GRE协议封装原始数据报文,基于公共IP网络实现数据的透明传输。
隧道类型的优先级顺序与配置相关,配置顺序越靠前优先级越高。参与隧道负载分担的隧道可以是不同类型的隧道,也可以是非等价的隧道,甚至参与负载分担的两个隧道可以经过同一条路径。
- Trunk接口负载分担
Trunk接口负载分担是指将多个相同链路层协议的物理端口捆绑在一起,形成一条逻辑上的数据链路,流量在多个成员链路之间分担。它主要有两种模式,分别是静态LACP模式和手工负载分担模式。
负载分担的工作方式
负载分担方式
逐流和逐包
逐流负载分担是指按照一定的规则,如根据五元组(源IP地址、目的IP地址、协议号、源端口号、目的端口号),将报文分成不同的流,同一条流的报文将在同一条链路上转发。如图逐流负载分担所示。
逐流负载分担
逐包负载分担是指在转发时,按报文到来的次序,将报文均匀地分摊到参与负载的各条链路上。如图逐包负载分担所示
逐包负载分担
两种负载分担方式相比,逐包负载分担能更为均衡地分发报文,逐流的均衡程度会因为负载分担的规则和业务流量特征不同而不同。
但是由于逐包负载分担可能导致报文乱序,所以部分对报文顺序非常敏感的业务不适用于逐包负载分担。目前,华为路由器均默认采用逐流负载分担。
等价和非等价
等价负载分担ECMP(Equal-Cost Multiple Path),是指到达同一目的地有多条等价链路,流量在这些等价链路上平均分配,不会考虑链路带宽的差异。等价链路是指到达目的地的cost值相等的链路/路径。
ECMP示意
非等价负载分担UCMP(Unequal-Cost Multiple Path),是指到达同一目的地有多条带宽不同的等价链路,流量根据带宽按比例分担到各条链路上。
UCMP示意
ECMP在路径间带宽差异较大的时候,带宽利用率低,而UCMP可以根据不同带宽比例分担流量,提高了带宽利用率。
负载分担算法
在逐包负载分担中,设备启用了一个定时器,每来一个包,计数器加1,根据计数器的值选择出接口。
逐流负载分担采用了哈希算法。哈希算法将任意长度的二进制值映射为固定长度的较小二进制值,这个小的二进制值称为哈希值。计算出哈希值后,设备再根据哈希值映射到出接口,并将报文从对应的出接口发送。
哈希算法的输入是各个报文的特征值,包括但不限于:
- 以太帧头:源MAC、目的MAC
- IP首部:源IP、目的IP、协议号
- TCP/UDP首部:源端口号、目的端口号
- MPLS首部:MPLS标签、报文负载的某些比特位
- L2TP报文:Tunnel ID和Session ID
这些输入被称为“哈希因子”。如果哈希因子散列性较好,则哈希算法得出的负载分担将会更均匀。如果网络流很复杂,依靠哈希因子进行散列,可能难以取得最佳的分担效果。
负载分担的典型应用场景
链路扩容场景
如图所示,R1、R2两个设备间通过4条10G的链路互连,R1与R2使用Loopback接口地址建EBGP邻居关系,使用IGP等价路由。由于业务发展,现需要扩容一条40G的链路互联,变成4条10G+1条40G链路,实现10G链路与40G链路的负载分担。
链路扩容场景
在这种场景下,可以先全局开启UCMP功能,随后在这4个10G接口和40G接口下开启端口UCMP功能,实现扩容效果。
若该设备不支持UCMP,则可以在40G端口配置4个IP地址与对端设备互通,这样,每个10G端口有一个下一跳,40G的端口有4个下一跳,实现IP负载分担。
路由反射器场景中的BGP 负载分担
如图,AS100部署了一台路由反射器RR(Route Reflector),RR从两台出口路由器学习外网路由后,先从两个出口路由器的路由信息里进行选优,然后再传递给客户端 R1、R2、……、Rn。每个客户端都有到两台出口路由器的等值上行链路。这样,客户端学习的到的外网路由信息的下一跳只有一个,要么是出口路由器1,要么是出口路由器2,无法形成负载分担。
路由反射器场景中的 BGP 负载分担
在这种场景下,可以先在出口路由器1和出口路由器2上创建Loopback1接口,并将这两个接口地址设置成相同,同时使用此接口和RR建立IBGP邻居关系。这样,由于客户端学习的到的外网路由信息的下一跳相同,通过IGP迭代,所有客户端路由器能负载分担的使用两个出口路由器。
- 作者: 张帆
- 最近更新: 2024-11-12
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