CN102571527A

CN102571527A - 基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***

Info

Publication number: CN102571527A
Application number: CN2010105807413A
Authority: CN
Inventors: 陈伟林; 李青
Original assignee: Sanda University
Current assignee: Sanda University
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明揭示了一种基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，包括：数个实体路由器；备份控制装置，连接到数个实体路由器，备份控制装置使用虚拟路由冗余协议组成数个虚拟路由器组，数个实体路由器被分配到路由器组中，在每一个虚拟路由器组中，确定一个实体路由器为主控路由器，其余的路由器为备份路由器，主控路由器用于响应和转发数据包，备份路由器处于待命状态；负载均衡装置，连接到数个实体路由器和备份控制装置，负载均衡装置监视每一个实体路由器的负载流量并设定一流量阈值，当一个实体路由器的负载流量超过流量阈值时，将该实体路由器的负载流量在其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中分担配置。

Description

基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***

技术领域

本发明涉及网络技术，尤其涉及一种基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***。

背景技术

路由器(router)是网络中的关键部件之一。路由器是实现异种网络连接的互连设备，工作在OSI的第三层，比如说，通过路由器可以实现局域网和广域网之间的互联。在Internet环境下，使用TCP/IP协议，对应第三层的网络协议时IP协议。每个路由器和主机在网络中每一个连接都分配有一个IP地址，IP地址是网络中寻址的依据，路由器配置中有路由表，对每个可能的目的地址，给出应该送往的下一个路由器的地址，也称为转发端口或下一站。

路由器可以根据网络层的协议类型、网络号、主机的网络地址、子网掩码和高层协议的类型等来监控、拦截和过滤信息。路由器通过IP地址和子网掩码的组合来隔离各个子网，有利于子网的划分、维护管理。同时它还具有流量控制能力，可以采用优化的路由算法均衡网络负载，减少网络拥塞的发生。路由器具有良好的隔离能力，不仅可以避免广播风暴，也有利于提高网络的安全性保密性。

路由器本身来说它就是一台计算机，但是路由器没有屏幕和键盘也就是所谓的输入输出设备，在对路由器进行配置的时候，通过PC机和路由器的控制端口(Console口)相连接，把这台PC机作为终端，与路由器通信、从而进行路由器的配置。同时路由器也是需要操作***才能进行网络***的配置，以及和其他路由器交换信息。路由器是网络中进行网间连接的关键设备。作为不同网络之间连接的枢纽硬件，路由器***构成了基于TCP/IP的国际互连网络Internet的主题脉络，也可以说，路由器构成了Internet的主架。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互联的质量。因此，在整个Internet的领域中，路由器技术始终是处在核心地位。之所以路由器技术的地位那么高，是因为其处于网络层，一个方面是他能够跨越不同类型的网络，第二个方面就是它将整个互联网划分成在逻辑上独立的网络单位，使得网络具有一定的逻辑结构，并非虚拟规则的。

发明内容

本发明旨在提出一种对路由器进行备份以及负载均衡的技术，以提高路由器运行的安全性以及速度。

根据本发明，提出一种基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，包括：

数个实体路由器；

备份控制装置，连接到数个实体路由器，备份控制装置使用虚拟路由冗余协议组成数个虚拟路由器组，数个实体路由器被分配到路由器组中，在每一个虚拟路由器组中，确定一个实体路由器为主控路由器，其余的路由器为备份路由器，主控路由器用于响应和转发数据包，备份路由器处于待命状态；

负载均衡装置，连接到数个实体路由器和备份控制装置，负载均衡装置监视每一个实体路由器的负载流量并设定一流量阈值，当一个实体路由器的负载流量超过流量阈值时，将该实体路由器的负载流量在其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中分担配置。

每一个虚拟路由器组包括至少两个实体路由器。每一个实体路由器被分配到一个或者数个虚拟路由器组中，不同的虚拟路由器组中能包含同一个实体路由器。

当一个虚拟路由器组中具有两个或以上的备份路由器时，备份路由器具有优先级。在一个虚拟路由器组中，当主控路由器发生故障时，具有最高优先级的备份路由器在固定时延后升级为主控路由器，且不改变IP地址和MAC地址。

负载均衡装置将实体路由器的负载流量平均分配给其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中的每一个实体路由器。负载均衡装置将实体路由器的超过流量阈值的负载流量分配给其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中的其他实体路由器。

本发明的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***利用虚拟路由冗余协议VRRP实现了在数个实体路由器之间的互相备份和负载均能，能有效提高路由器的工作效率和工作稳定性。

附图说明

图1是根据本发明的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***的结构图。

具体实施方式

由于本发明的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***是基于虚拟路由冗余协议VRRP。虚拟路由冗余协议VRRP(Virtual Router RedundancyProtocol)是IETF制定的虚拟路由器冗余协议，该协议用于避免在静态配置缺省路由环境下存在的单点故障问题。

本发明利用VRRP的特性，开发出了基于VRRP的下述应用：

VRRP能对IP地址进行备份，可以在网络中提供多个虚拟路由器组(Virtual Router Group)。VRRP能够进行最优路径指示，在虚拟路由器组内的多个路由器的路由中选择最优的路径。VRRP还能够最小化不必要的服务中断。在主控路由器正常工作期间不触发其他低优先级别路由器选择主控路由器的服务。

VRRP的基本运行原理如下：将位于局域网内的多个运行VRRP的路由器定义为互相之间作路由备份的VRRP组，VRRP组里的每个路由器被指定一个相应IP地址对应的虚拟MAC地址，对外表现为唯一，地址的格式为00-00-5E-00-01-[VRID]，VRID是虚拟路由器的数字标识，范围为1～255。主控路由器把虚拟路由器的MAC地址作为VRRP消息的头部周期性地发送出去，这样无论如何切换，保证给终端设备的是唯一一致的IP和MAC地址，减少了切换对终端设备的影响。所用VRRP的信息都采用IP的多播数据包进行封装，组地址为224.10.10.118。在不同的局域网中可以使用同一VRRP路由器标识号映射不同的地址。每个虚拟路由器的发布控制范围只限于一个局域网内，这保证了VRID在不同网络中可以重复使用。为了减少网络带宽消耗只有主控路由器才可以周期性地发送VRRP通告报文。备份路由器在连续3个通告间隔内收不到VRRP或收到优先级为0的通告后启动新的一轮VRRP选举，最高优先级的备份路由器会在一个小的时延后转成主控路由器。

VRRP组内路由路是使用VRRP优先级信息去选择主路由，VRRP中优先级范围是0～255。若VRRP路由器的IP地址和虚拟路由器的接口IP地址相同，则称该虚拟路由器用作VRRP组中的IP地址所有者。IP地址所有者自动具有最高优先级255。优先级0一般用在IP地址所有者主动放弃主控者角色时。可置的优先级范围为1～254。优先级的配置原则可以依据链路的速度和成本、路由器性能和可靠性以及其它管理策略设定。主控路由器的选举中，高优先级的虚拟路由器获胜，因此，如果在VRRP组中有IP地址所有者，则它总是作为主控路由器的角色出现。对于相同优先级的候选路由器，按照IP地址大小顺序选举。VRRP还提供了优先级抢占策略，如果配置了该策略，高优先级的备份路由器便会剥夺当前低优先级的主控路由器而成为新的主控路由器。

如果任何路由器或它们的局域网连接失败，则主控路由器接管其相应作业，并通过取代它的虚拟MAC地址和IP地址实现ARP应答。如果主控路由器失败，剩下的路由器会选择一个新的主控路由器，它取代了失败的主控路由器的虚拟MAC地址和虚拟IP地址，绕过故障点重新路由。

对用户来说，可以把网中加入VRRP组的多个路由器看成一个虚拟路由器。在主控路由器及备用路由器之间用一种“Hello”协议通信，以保证备用路由器及时了解主控路由器的失效状态，由于网络内配置了VRRP虚拟网关地址，发生故障时，虚拟路由器没有改变，网络内主机仍然保持连接。网络将不会受到单点故障的影响，网络中路由器切换恢复时间在5秒之内，因此，这是运行在IP主机上的透明应用。

基于虚拟路由冗余VRRP，本发明提出一种基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，参考图1所示，该***包括数个实体路由器10、备份控制装置20和负载均衡装置30。

备份控制装置20连接到数个实体路由器10(为了附图清楚的目的，图中没有示出备份控制装置20与数个实体路由器10的连接关系)，备份控制装置20使用虚拟路由冗余协议VRRP组成数个虚拟路由器组，数个实体路由器10被分配到路由器组中，在每一个虚拟路由器组中，确定一个实体路由器为主控路由器，其余的路由器为备份路由器，主控路由器用于响应和转发数据包，备份路由器处于待命状态。每一个虚拟路由器组包括至少两个实体路由器。每一个实体路由器被分配到一个或者数个虚拟路由器组中，不同的虚拟路由器组中能包含同一个实体路由器。例如，在图1所示的实施例中，共包括4个实体路由器11、12、13和14。其中实体路由器11和12组成第一虚拟路由器组21，实体路由器12和13组成第二虚拟路由器组22，实体路由器13、14和11组成第三虚拟路由器组23。每一个虚拟路由器组都包括两个或以上的实体路由器。实体路由器11、12、13分别属于两个不同的虚拟路由器组。即在不同的虚拟路由器组中能包含同一个实体路由器。在每一个虚拟路由器组中，都确定一个实体路由器作为主控路由器，而其余的实体路由器作为备份路由器。例如，在虚拟路由器组21、22和23中确定的主控路由器分别为实体路由器11、12和13。而实体路由器12、13和14、11则分别作为虚拟路由器组21、22和23中的备份路由器。在第三虚拟路由器组23中具有两个备份路由器14和11。根据本发明，当一个虚拟路由器组中具有两个或以上的备份路由器时，备份路由器具有优先级。在图1所示的实施例中，实体路由器14被设定具有高优先级而实体路由器11被设定具有低优先级。备份控制装置20的另一个作用是监控各个实体路由器的工作状况并在某一个实体路由器出现故障时进行备份切换。在一个虚拟路由器组中，当主控路由器发生故障时，具有最高优先级的备份路由器在固定时延后升级为主控路由器，且不改变IP地址和MAC地址。例如，对于第一虚拟路由器组21来说，如果主控路由器(实体路由器)11出现故障，备份路由器(实体路由器)12会在固定时延后升级为主控路由器替换实体路由器11，并且不改变IP地址和MAC地址。再比如，对于第三虚拟路由器组23来说，如果主控路由器(实体路由器)13出现故障，备份路由器(实体路由器)14由于具有高优先级，会在固定时延后首先被升级为主控路由器替换实体路由器13，并且不改变IP地址和MAC地址。如果实体路由器14也出现故障，再考虑具有低优先级的备份路由器(实体路由器)11。

负载均衡装置30连接到数个实体路由器10和备份控制装置20(为了附图清楚的目的，图中没有示出负载均衡装置30与数个实体路由器10的连接关系)，负载均衡装置监视每一个实体路由器的负载流量并设定一流量阈值，当一个实体路由器的负载流量超过流量阈值时，将该实体路由器的负载流量在其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中分担配置。负载均衡装置30进行负载流量分担配置的方法有两种：第一种方式是负载均衡装置将实体路由器的负载流量平均分配给其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中的每一个实体路由器。第二种方式是负载均衡装置将实体路由器的超过流量阈值的负载流量分配给其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中的其他实体路由器。如果采用第一种方式，以第二虚拟路由器组22为例，如果负载均衡装置30监测到实体路由器12的负载流量超过了流量阈值，则会将实体路由器12的全部负载流量在第二虚拟路由器组22所属的两个实体路由器12和13之间进行平均分配。因为第二虚拟路由器组22是实体路由器12所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组。如果采用第二种方式，以第三路由器组23为例，负载均衡装置30监测到实体路由器13的负载流量超过了流量阈值，则仅会将超过流量阈值的负载流量分配给其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中的其他实体路由器，即将超过流量阈值的负载流量分配给实体路由器14和11。因为第三虚拟路由器组23是实体路由器13所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组。

下面再介绍本发明的一个应用实例，在IPv6下的基于VRRP的备份及负载均衡***的应用实现。实体路由器是指运行VRRP协议的路由器，是物理实体，而虚拟路由器组是被VRRP协议所管理的一个逻辑目标，它起到一个LAN中的缺省路由器(网关)的作用。它对外有一个唯一的MAC地址和IPv6地址，是逻辑概念；主控路由器是发送到虚拟路由器所绑定的IPv6地址的数据包，由主控路由器具体承担转发任务，并且负责应答对虚拟路由器所绑定的IPv6地址的邻居请求。备份路由器是对主控路由器备份的一组实体路由器。一组实体路由器协同工作，共同构成一台虚拟路由器。该虚拟路由器对外表现为一个具有唯一固定IPv6地址和MAC地址的逻辑路由器。处于同一个VRRP组中的路由器具有两种互斥的角色：主控路由器和备份路由器，一个VRRP组中有且只有一台处于主控角色的路由器，可以有一个或者多个处于备份角色的路由器。VRRP协议使用选择策略从路由器组中选出一台作为主控，负责邻居发现N D请求的应答和转发IP数据包，组中的其它路由器处于备份状态。当由某种原因主控路由器发生故障时，备份路由器能在几秒钟的时延后升级为主控路由器，缺省的时间间隔为3s，这是一个可以由用户来设置的参数。在“初始化状态”时，实体路由器主要是等待“启动事件”，并根据接收到的不同参数转换到不同的工作状态。在“主控状态”时，该实体路由器成为主控路由器，负责为虚拟路由器转发数据。当处于“主控状态”的路由器收到停止事件时，***将返回到“初始化状态”。当处于抢占模式中，“主控状态”路由器收到比本地优先级别高的VRRP信息包时，路由器将从“主控状态”转变为“备份状态”。处于“备份状态”下的实体路由器的主要任务是检测主控路由器的状态和有效性，当处于“备份状态”的路由器收到停止事件，***将返回到“初始化”状态。当“备份状态”路由器在规定的时间内没有接收到“主控状态”路由器的VRRP消息时，路由器将自动从“备份状态”转变为“主控状态”。每个VRRP虚拟路由器都有一个IEEE 802格式的48位MAC地址，主控路由器在发送周期性VRRP消息时，采用这个地址作为源MAC地址。一个虚拟路由器是通过它的虚拟路由器标识符VRID(Virtual Router IDentifier)和一组IPv6地址来定义的，其中VRID的范围为0～255。这个虚拟路由器对外表现为唯一的虚拟MAC地址，地址的格式为00-00-5E-00-XX-[VRID](其中的MAC地址空间IANA还没有确定，IPv4中的地址空间是00-00-5E-00-01-00到00-00-5E-00-01-FF)。这样，无论如何切换，保证给终端设备的是唯一的IPv6和MAC地址，减少了地址切换对终端设备的影响。VRRP通告(advertisement)，其它未知类型的报文将被实体路由器所丢弃。为了减少网络带宽消耗，只有主控路由器才可以周期性地发送VRRP通告报文。备份路由器在连续3个通告间隔内收不到VRRP或收到优先级为0的通告后启动新的一轮VRRP选举。VRRP的协议信息通过IPv6的组播数据报传送，因此，任何支持IPv6组播的多路访问LAN技术都可以实现VRRP。VRRP的数据包是被封装在IPv6的数据包中，它们被发送到分配给VRRP的IPv6组播地址。这个由IANA分配的VRRP IPv6组播地址的形式为FF02:0:0:0:0:0:XXXX:XXXX。在VRRP路由器组中，按优先级选举主控路由器，VRRP协议中优先级范围是0～255。若实体路由器的IP地址和虚拟路由器的接口IP地址相同，则称该虚拟路由器为VRRP组中的IP地址所有者。IP地址有者自动具有最高优先级：255。优先级0一般用在IP地址所有者主动放弃主控路由器角色时使用。可配置的优先级范围为1～254。优先级的配置原则可以依据链路的速度和成本、路由器性能和可靠性以及其它管理策略设定。主控路由器的选举中，高优先级的实体路由器成为主控路由器。因此，如果在VRRP组中有IP地址所有者，则它总是作为主控路由器的角色出现。如果组中没有IP地址所有者，对于相同优先级的候选路由器，按照IP地址的大小决定主控路由器。VRRP还提供优先级抢占策略，如果配置了该策略，当具有更高优先级的VRRP路由器加入这个组，它便会剥夺当前低优先级的主控路由器而成为新的主控路由器。

Claims

1.一种基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，其特征在于，包括：

数个实体路由器；

备份控制装置，连接到所述数个实体路由器，所述备份控制装置使用虚拟路由冗余协议组成数个虚拟路由器组，数个实体路由器被分配到路由器组中，在每一个虚拟路由器组中，确定一个实体路由器为主控路由器，其余的路由器为备份路由器，主控路由器用于响应和转发数据包，备份路由器处于待命状态；

负载均衡装置，连接到所述数个实体路由器和所述备份控制装置，负载均衡装置监视每一个实体路由器的负载流量并设定一流量阈值，当一个实体路由器的负载流量超过流量阈值时，将该实体路由器的负载流量在其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中分担配置。

2.如权利要求1所述的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，其特征在于，

每一个虚拟路由器组包括至少两个实体路由器。

3.如权利要求2所述的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，其特征在于，

每一个实体路由器被分配到一个或者数个虚拟路由器组中，不同的虚拟路由器组中能包含同一个实体路由器。

4.如权利要求2所述的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，其特征在于，

当一个虚拟路由器组中具有两个或以上的备份路由器时，备份路由器具有优先级。

5.如权利要求4所述的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，其特征在于，

在一个虚拟路由器组中，当主控路由器发生故障时，具有最高优先级的备份路由器在固定时延后升级为主控路由器，且不改变IP地址和MAC地址。

6.如权利要求1所述的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，其特征在于，

所述负载均衡装置将实体路由器的负载流量平均分配给其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中的每一个实体路由器。

7.如权利要求1所述的基于虚拟路由冗余的备份及负载均衡***，其特征在于，

所述负载均衡装置将实体路由器的超过流量阈值的负载流量分配给其所属并且作为主控路由器的虚拟路由器组中的其他实体路由器。