CN114095441A - 一种实现ecmp流量负载均衡的方法及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本说明书提供一种实现ECMP流量负载均衡的方法及电子设备，所述方法应用于转发设备，包括：监测目标地址相同的多条数据流被分配的各链路的带宽占用率，其中，所述转发设备基于哈希算法为目标地址相同的多条所述数据流分配所述链路；各所述链路的带宽占用率不均衡的情况下，识别带宽占用率超过阈值的链路中的数据流的类型，所述数据流的类型包括大象流；依据ACL规则将识别出的所述大象流切换至轻载链路，所述ACL规则根据识别出的所述大象流的五元组信息进行配置，所述轻载链路为带宽占用率未超过所述阈值的链路。本申请可及时发现链路流量不均衡的问题，通过将过载链路上的大象流切换至其他轻载链路以实现各链路的流量负载均衡。

Description

一种实现ECMP流量负载均衡的方法及电子设备
技术领域
本说明书涉及通信技术领域，尤其涉及一种实现ECMP流量负载均衡的方法及电子设备。
背景技术
以TCP/IP为传输协议的网络中存在的多路径负载均衡问题通常运用ECMP(EqualCost Multi-path，等价多路径)路由技术解决。ECMP一般选用HASH算法以确定不同的数据流的传输路径，但这种方法在确定传输路径时只考虑了各路径上数据流数目的均衡，而没有考虑各数据流的大小，可能会出现各路径(链路)流量不均衡的问题。
DLB(Dynamic load balance，动态链路负载)技术通过将大象流中的报文分路径传输，以解决ECMP中存在的流量不均衡的问题。但是这种方法实现复杂，需要芯片支持，大部分转发设备无法支持。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本说明书提供了一种实现ECMP流量负载均衡的方法及电子设备。
根据本说明书实施例的第一方面，提供一种实现ECMP流量负载均衡的方法，所述方法包括：
监测目标地址相同的多条数据流被分配的各链路的带宽占用率，其中，所述转发设备基于哈希算法为目标地址相同的多条所述数据流分配所述链路；
各所述链路的带宽占用率不均衡的情况下，识别带宽占用率超过阈值的链路中的数据流的类型，所述数据流的类型包括大象流；
依据ACL规则将识别出的所述大象流切换至轻载链路，所述ACL规则根据识别出的所述大象流的五元组信息进行配置，所述轻载链路为带宽占用率未超过所述阈值的链路。
根据本说明书实施例的第二方面，提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法。
根据本说明书实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行上述第一方面所述的方法。
本说明书的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请在ECMP采用HASH算法确定数据流的转发路径的基础上，通过对各链路的带宽占用率进行监测能够及时发现各链路流量不均衡的问题，随即识别带宽占用率超过阈值的链路中数据流的类型，若存在大象流则将所述识别出的大象流切换至其他带宽占用率未超过阈值的轻载链路上，从而实现各链路的流量负载均衡。此外，上述方法无需特殊的芯片支持，实现简单，能够受到大部分转发设备的支持。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本说明书的实施例，并与说明书一起用于解释本说明书的原理。
图1是本说明书根据一示例性实施例示出的一种实现ECMP流量负载均衡方法的流程图。
图2是本说明书根据一示例性实施例示出的一种实现ECMP流量负载均衡方法的应用场景图。
图3是本说明书根据另一示例性实施例示出的一种实现ECMP流量负载均衡方法的流程图。
图4是本说明书根据一示例性实施例示出的一种电子设备的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本说明书使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书。在本说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本说明书可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
ECMP路由技术经常被运用在以TCP/IP为传输协议的网络中，以解决多路径的负载均衡问题，从而提高网络冗余性和可靠性以及网络资源利用率，一般选用HASH算法确定不同的数据流的传输路径。但这种方法在确定传输路径时只考虑了各路径上数据流数目的均衡，而没有考虑各数据流的大小。因此，当数据量大的大象流和数据量小的老鼠流同时存在时，可能会出现链路流量不均衡的问题。大象流与老鼠流可以通过数据流的大小和传输速率进行区分，大象流可以是传输速率大且传输时间较长的数据流，比如数据迁移、虚拟机迁移等业务产生的数据流；老鼠流则可以是传输速率小且传输时间较短的数据流，比如发邮件、浏览网页等业务所产生的数据流。有四条不同的数据流经转发设备传输至用户2，可通过两条带宽相同的等价路径进行转发，其中数据流f1和f3为老鼠流，数据流f2和f4为大象流。经过HASH计算后，数据流f1和f3经由链路1进行传输，占链路1带宽的10％；数据流f2和f4经由链路2进行传输，占链路2带宽的60％，由此出现了链路流量不均衡的问题。
DLB动态链路负载技术通过将大象流中的报文分路径传输，将同一条数据流中的数据量分摊到可转发的多条路径上，能够解决ECMP中存在的链路流量不均衡的问题，使得各路径的流量负载均衡。在此过程中转发设备需要实时监控多条转发路径的转发时延及报文之间的时间间隔，以防止数据接收端出现报文乱序。但是这种方法实现复杂，需要芯片支持，大部分转发设备无法支持。因此，本申请在ECMP技术的基础上提出了一种实现简单，能受大部分设备支持，且能使各路径流量负载均衡的方法。
本申请提出一种在TCP/IP网络中实现ECMP流量负载均衡的方法，应用于数据转发设备，例如路由器或交换机。本申请适用于存在两条及两条以上等价路径的情况，本说明书实施例均以两条等价路径的情况对本申请的方法进行说明，包括以下步骤，如图1所示：
S110，监测目标地址相同的多条数据流被分配的各链路的带宽占用率，其中，所述转发设备基于哈希算法为目标地址相同的多条所述数据流分配所述链路；
上述“各链路”为基于上述同一目标地址确定的等价路径中的至少两个路径，数据流通过等价路径中的各转发路径进行转发时经过的跳数相同。转发设备如路由器或交换机对数据流进行转发时根据目标地址得到基于跳数的最短转发路径，将待转发的数据流通过最短转发路径进行传输。当存在两条及以上转发路径的跳数相同且跳数最小时，上述两条及以上转发路径为等价路径。当待转发数据流有两条及以上时，即使存在两条及以上等价路径，转发设备仍然会每次仅选择其中一条路径将所有数据流进行转发，从而造成了链路资源的浪费。而配置ECMP的转发设备则会同时利用存在的所有等价路径，将待转发的不同数据流分配到不同的路径上进行转发，使不同路径上的负载尽可能地均衡。ECMP一般采用HASH算法确定各待转发数据流的转发路径，还可以通过轮询的方式或基于各转发路径的权重来确定。实时监测各链路的带宽占用率，以及时发现链路流量负载不均衡的问题。
数据转发设备如路由器和交换机本身便具备对其各个端口处的流量信息进行统计的功能，不同的链路分别对应转发设备上不同的出端口，通过统计单位时间(如每秒)内经过每条链路对应的转发设备出端口处的数据量得到每条链路各自的带宽占用率。比较每条链路的带宽占用率，则能够判断链路流量负载是否均衡。作为例子，可以依据各链路间带宽占用率的差值是否大于临界值对流量负载是否均衡进行判断，当各链路的带宽占用率的差值大于临界值时认为流量负载不均衡，对上述临界值的设定可根据需求自行制定。带宽占用率指单位时间内经过链路转发的数据流的数据量大小占所述链路带宽的比例。例如，将各链路的带宽占用率差值的临界值设置为30％，转发设备可通过两条转发路径链路A和链路B将数据流转发至同一客户端，链路A和链路B的带宽均为10Gbit/s。经由链路A每秒转发的数据量为2Gbit/s，经由链路A每秒转发的数据量为6Gbit/s，则链路A的带宽占用率为20％，链路B的带宽占用率为60％，两条链路的带宽占用率的差值为40％，大于临界值30％，故链路A和链路B的流量负载不均衡。
S120，各所述链路的带宽占用率不均衡的情况下，识别带宽占用率超过阈值的链路中的数据流的类型，所述数据流的类型包括大象流；
链路带宽占用率不均衡的原因一般在于待转发的数据流中同时存在多条大象流和老鼠流，且多条大象流通过同一路径进行转发，所以需要识别出超载的链路中的数据流类型，判断是否存在大象流。若存在大象流则将识别出的大象流切换到其他未超载的路径进行转发。一般来说，在轻载情况下即使出现了流量负载不均衡的情况也不会影响业务体验，这种情况下无需对数据流的转发路径进行切换，比如链路A的带宽占用率为10％，链路B的带宽占用率为30％。因此，需要对各链路的带宽占用率设定一个阈值，在带宽占用率不均衡的前提下，若链路的带宽占用率超过阈值则对所述链路中的数据流类型进行识别。本说明书实施例对大象流进行识别。
在本说明书一实施例中，通过对转发设备上与带宽占用率超过阈值的链路相连的出端口处传输的数据流采样的方式，获取采集到的每条数据流的数据量大小，根据每条数据流的数据量大小判断是否存在大象流。采样可以使用不同的采样技术进行，例如依据sflow规则或netstream规则进行，在sflow或netflow规则中配置有具体的采样方式及合适的采样率，采集的样品为各数据流中的报文。转发设备能以报文数量为单位进行周期性采样，如每通过1000个报文采集一次，采样率为1/1000；转发设备还能以时间为单位进行周期性采样，如每秒采集一次，采样率为1个/s。为了防止对转发设备CPU的冲击，可以根据CPU的处理能力配置采样率，或者根据数据流的数据量进行配置。
本说明书一实施例通过采集到的各数据流中携带相同五元组信息的报文数量的占比对数据流数据量的大小进行表征。采集到的每一个报文均携带一组五元组信息，携带相同五元组信息的报文属于同一条数据流。携带相同五元组信息的报文数量相当于所述五元组信息对应的数据流的数据量，所述报文数量越多则说明所述数据流的数据量越大。获取所述携带相同五元组信息的报文数量在采集的所有报文中占据的比例，若占比达到预设值则将所述五元组信息对应的数据流确定为大象流。例如，转发设备采集到了100个报文，其中70个报文携带相同的五元组信息A，20个报文携带相同的五元组信息B，10个报文携带相同的五元组信息C；设定携带相同五元组信息的报文数量占比超过60％的所述五元组信息对应的数据流为大象流，那么将五元组信息A对应的数据流确定为大象流。占比预设值根据用户的需求和业务量自行设定。
本说明书另一实施例则通过各数据流的传输速率和携带相同五元组信息的报文数量占比来共同表征采集到的每条数据流的数据量大小。各数据流的传输速率根据各数据流在转发设备出端口或入端口处的流量统计信息计算所得，流量统计信息包括各数据流在一段时间内传输的数据量。例如，采样采集到报文分属于三条不同的数据流A、B和C，它们对应的五元组信息分别为a、b和c。在转发设备的出端口处下发分别针对五元组信息a、b和c的流量统计指令，假设得到数据流A、B和C在1秒内传输的数据量分别为6Gbit、2Gbit和1Gbit，那么数据流A、B和C的传输速率分别为6Gbit/s、2Gbit/s和1Gbit/s。若携带相同五元组信息的报文数量占比超过预设值的同时，所述五元组信息对应的数据流传输速率也超过预设上限，那么将所述五元组信息对应的数据流确定为大象流。传输速率的预设上限由用户自行设置。此外，需要对进行流量统计时使用的统计资源进行回收。进行流量统计时下发的流量统计指令可以被看作计数器，计数器与其统计的数据流的五元组信息绑定，绑定后的计数器无法执行其他的统计任务，且计数器的数量是有限的。因此，为了统计资源的合理使用需要及时回收下发的流量统计指令。
S130，依据ACL规则将识别出的所述大象流切换至轻载链路，所述ACL规则根据识别出的所述大象流的五元组信息进行配置，所述轻载链路为带宽占用率未超过所述阈值的链路。
此时，将识别出的大象流的转发路径切换为其他带宽占用率未超过阈值的链路需要通过下发优先级高于路由表的规则，ACL(Access Control List，访问控制列表)。ACL是由一条或多条规则组成的集合，所述规则是指描述报文匹配条件的判断语句，这些条件可以是报文的源地址、目的地址、端口号等。设备基于这些规则进行报文匹配，可以过滤出特定的报文，并根据应用ACL的业务模块的处理策略来允许或阻止报文通过。本说明书一实施例通过采用配置有ACL规则的PBR(Policy Based Routing，策略路由)，使得识别出的大象流从带宽占用率未超过阈值的链路转发。首先管理员或SDN控制器根据识别出的大象流五元组信息制定一条ACL规则，允许所述大象流通过转发设备，随后配置调用所述ACL规则的PBR，在PBR中设置所述大象流从轻载链路转发的下一跳地址。由于PBR的优先级高于ECMP通过HASH计算得到的转发路径结果，所以转发设备应用上述管理员或SDN控制器下发的PBR使得识别出的大象流的转发路径切换至未超过阈值的轻载链路。
下面结合一优选实施例，对本申请提供的一种实现ECMP流量负载均衡的方法进行介绍，图2为应用场景示意图。数据流f1、f2、f3、f4均通过转发设备10转发至同一客户端40，其中f1和f3为老鼠流，f2和f4为大象流。存在两条最短转发路径，设备20所在链路为PATH1，设备30所在链路为PATH2，PATH1和PATH2的带宽均为10Gbit/s。经过HASH计算，f1和f3经PATH1转发，f2和f4经PATH2转发。
如图3所示，本申请提出的一种实现ECMP流量负载均衡的方法包括以下步骤：
S210，监测两条转发链路的带宽占用率，判断各链路带宽占用率是否均衡；
假设经HASH计算确定f1、f1、f2、f3、f4转发路径后，PATH1的带宽占用率为10％，PATH2的带宽占用率为60％，则带宽占用率不均衡。
S220，所述各链路带宽占用率不均衡的情况下，依据sflow规则在转发设备的出端口处对经过带宽占用率超过阈值的链路传输的数据流采样，采样率为1/1000；
预设带宽占用率的阈值为50％，则PATH2的带宽占用率超过阈值，对经过PATH2传输的数据流f2和f4进行报文采样，每传输1000个报文则采集一次。
S230，获取采集样品中携带相同五元组信息的报文数量的占比；
携带相同五元组信息的报文属于同一条数据流。假设共采集1000个报文，其中700个报文携带一组相同的五元组信息，属于数据流f2；其余300个报文携带另一组相同的五元组信息，属于数据流f4，则属于数据流f2的报文数量占比为70％，属于数据流f4的报文数量占比为30％。占比越高则说明数据流的数据量越大，更可能是大象流。
S240，获取采集到的每条数据流在路由器出端口处的流量统计信息，计算各数据流的传输速率；
针对采集到的每条数据流的五元组信息下发流量统计指令，获取各数据流在路由器出端口处的传输速率。假设f2的传输速率为4Gbit/s，f4的传输速率为2Gbit/s。传输速率越大也说明数据流的数据量越大，更可能是大象流。
S250，将携带相同五元组信息的报文数量占比超过预设值且所述传输速率超过预设上限的数据流确定为大象流；
预设报文数量的占比预设值为60％，传输速率的预设上限为3Gbit/s，那么确定数据流f2为大象流。
S260，根据管理员或SDN控制器下发的PBR将所述大象流的传输路径切换为带宽占用率未超过阈值的轻载链路，所述PBR中配置有根据所述识别出的大象流的五元组信息生成的ACL规则。
数据f2通过PATH1转发。
基于上述任一实施例实行的方法，本申请还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例实行的方法。
本说明书计算机程序产品的实施例可以应用在电子设备上，例如转发设备。计算机程序产品的实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，是通过其所在文件处理的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图4所示，为本说明书实施例计算机程序产品所在电子设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器310、内存330、网络接口320、以及非易失性存储器340之外，实施例中计算机程序产品331所在的电子设备，通常根据该计算机设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的发明后，将容易想到本说明书的其它实施方案。本说明书旨在涵盖本说明书的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本说明书的一般性原理并包括本说明书未申请的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本说明书的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本说明书并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本说明书的范围仅由所附的权利要求来限制。
以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书，凡在本说明书的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种实现ECMP流量负载均衡的方法，应用于转发设备，其特征在于，包括步骤：
监测目标地址相同的多条数据流被分配的各链路的带宽占用率，其中，所述转发设备基于哈希算法为目标地址相同的多条所述数据流分配所述链路；
各所述链路的带宽占用率不均衡的情况下，识别带宽占用率超过阈值的链路中的数据流的类型，所述数据流的类型包括大象流；
依据ACL规则将识别出的所述大象流切换至轻载链路，所述ACL规则根据识别出的所述大象流的五元组信息进行配置，所述轻载链路为带宽占用率未超过所述阈值的链路。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述识别带宽占用率超过阈值的链路中的数据流的类型包括：
根据预设的采样率对所述转发设备的出端口处经所述带宽占用率超过阈值的链路传输的数据流进行采样；
根据采集到的每条数据流的数据量大小判断是否存在大象流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采集到的每条数据流的数据量大小通过采集到的各数据流中携带相同五元组信息的报文数量占比表征。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据采集到的每条数据流的数据量大小判断是否存在大象流包括：
如果携带相同五元组信息的报文数量占比超过预设值，则将所述五元组信息对应的数据流确定为大象流。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采集到的每条数据流的数据量大小还通过所述数据流的传输速率表征，所述传输速率根据每条数据流在转发设备入端口或出端口的流量统计信息计算得到。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据采集到的数据流数据量大小判断是否存在大象流包括：
将携带相同五元组信息的报文数量占比超过预设值且所述传输速率超过预设上限的数据流确定为大象流。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据预设的采样率对所述转发设备的出端口处经所述带宽占用率超过阈值的链路传输的数据流进行采样依据sflow或netstream规则进行。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据ACL规则将识别出的所述大象流切换至轻载链路包括：
接收管理员或SDN控制器下发的PBR策略路由，所述PBR中配置有根据识别出的所述大象流的五元组信息生成的ACL规则；
根据所述PBR将所述大象流的传输路径更换为轻载链路。
9.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8任意一项所述的方法。
10.一种电子设备，其特征在于包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行权利要求1-8任意一项所述的方法。
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