CN1700666A - 多出口单机或多机协同工作路由器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多出口单机或多机协同工作路由器。它包括处理器及与之相联接的存储器、高速RAM、RAM和PCI接口、与PCI接口联接的网卡，其特征在于该***执行以下程序：1)各路由器自动探测网络中的其它节点，当各协同处理路由器探测到所有节点后，整个***初始化完成，开始处理用户数据；2)节点之间实时探测相互之间的健康信息，每个节点都会实时的发送自身健康信息，接到信息的节点会智能判断***中是否有故障的和新增的节点；3)路由器接收到用户发送数据包后分析数据，并按调度算法分配其最优节点，本发明的优点是：1.可积木式地组合成一个路由器群，达到路由器间相互热备份，超大处理能力；2.设备资源占用小、效率高、可靠性高、成本低。

Description

多出口单机或多机协同工作路由器

技术领域

本发明涉及一种路由器，尤其是涉及一种多出口单机或多机协同工作路由器。

背景技术

随着信息时代的到来，人们对互联网的依赖程度越来越大。以大型企业网和广电网为核心的运营商凭借其丰富的光纤资源和原有客户资源，通过网络改造，进入互联网络运营领域，具有很大的优势和潜力。但是，由于目前互联网资源的不对称分配，使得二级运营商在网络出口带宽上受到很大程度的限制。只购买一家ISP服务提供商的出口可靠性得不到保障，购买多家的出口，又无法很好的利用到网络中。导致互联网用户数量上不去，成本增高；而购买出口的费用成为二级运营商的主要负担，并对进入良性循环形成阻碍。

发明内容

针对二级运营商的组网方案中影响成本的关键问题，本发明提供了一种多出口单机或多机协同工作路由器。本发明通过以下技术方案来实现：一种多出口单机或多机协同工作路由器，包括处理器及与之相联接的存储器、高速RAM、RAM和PCI接口、与PCI接口联接的网卡，其特征在于该***执行以下程序：

1)所有协同工作路由器启动后，自动探测网络中的其它节点，把其它节点在本节点上注册，当各协同工作路由器探测到所有节点后，整个***初始化完成，开始处理用户数据；

2)各节点通过发送和接收优化的UDP、TCP数据包，实时探测相互之间的健康信息，由于每个节点都会实时的发送自身健康信息，在网络数据量大时，通过精简的UDP、TCP协议加强了信息接收的精确度和安全性，各节点会根据接收到的数据信息，判断***中是否有故障节点，有，则把它从协同处理群中去除，并接替其任务，没有，继续探测；

3)协同工作路由器会接收每个用户发送数据包，并分析此数据包的源IP在所有节点中是否有记录，有则通过原有的路由方式通讯，没有，则通过协同调度程序选择最优的节点进行路由，并把此IP记录到cache中。

上述程序中的术语定义为：

节点：协同工作路由器中的任一台路由器；

Cache：高速缓存。

本发明的优点是：1、实现了一个有效配合网络二级运营商的用户量从少到多发展过程中，逐步投资的最经济节约的组网思路——可积木式地组合成一个路由器群，形成多机协同工作，完成同一个目标任务，达到路由器间的负载均衡、相互热备份，达到带宽相加，***永不停止。2、设备资源占用小、效率高、可靠性高、成本低。

附图说明

图1为二级运用商常规拓扑图——单出口阶段；

图2为二级运营商常规拓扑图——多出口阶段；

图3为本发明的硬件***结构框图；

图4为本发明的软件结构图；

图5为本发明的程序框图；

图6为运用本发明技术方案的一种网络拓扑图；

图7为本发明在实际网络中的通讯拓朴图；

图8为多节点协同处理通信过程图；

图9为节点智能数据调度分析图；

图10为路由器组网图。

具体实施方式

在讨论本发明技术之前，对当前主流组网方案作一下分析：

方案1、考虑到建网初期只有少量用户，一般会选择租用单个互联网出口，相应的拓扑结构如图1所示。

优点是：较为普遍的组网结构，简单易于实现，初期投入成本较低。

缺点是：路由器设备处理能力大小是购买的主要矛盾：处理能力大，价格太高不利于初期投入；处理能力小，价格合理，但不利于用户中后期发展。选用处理能力低，价格便宜的路由器，用户增加后，地址转换能力有限，上网速度变慢，稳定性和安全性不高，当租用的宽带出口出现故障时，全网瘫痪。在发现路由器承载能力不足时，必须购买新的处理能力更强的路由器(这个路由器不是用原有路由器两倍价格就能购买到的，不同型号路由器价格不是成等比增加)，而原有路由器只有淘汰。

方案2、在规划网络结构时，考虑到互联网服务器提供商的网络出口稳定性问题，和单个出口的流量承载问题，二级运营商会考虑申请多个出口，对多个出口的同时使用问题，很容易想到的方法是源地址策略路由，如图2所示。

优点是：运营商可申请多个互联网出口，并使多个出口同时利用，加大了网络承载用户的数量，当某个出口故障时，可通过手工调试设备，保证网络只是短时间中断。

缺点是：由于机遇源地址的策略路由自身的缺点，下端用户只能根据路由器的指定路由和固定的出口建立连接，带宽的利用率很低，特别是当几个互联网络出口的带宽不等值时，情况会很糟糕。例如当运营商申请三个出口，带宽分别是10Mbps，20Mbps，30Mbps，那么只有把用户多的区域放在30Mbps出口上，少一点的放在20Mbps出口上，最少的放在10Mbps上。初看，这种分配是合理的，但用户发展的随机性，很难保证三个片区的用户比例刚好是1∶2∶3，而且为了维持这种比例关系的网络IP地址规划也存在很大的难度，当任一出口故障，需要修改路由器配置，对网络管理人员的技能非常高，且在修改时必须在很短时间内，不能出任何差错的情况下完成路由器配置。再从网络***的搭建上来看，整个***需要一个做策略路由的路由器和与出口数量相应的地址转换设备，整个投入非常大，策略路由器的性能决定了整个网络的承载能力，故这种方案不适合于建网初期，在后期路由器的承载能力也成了网络堵塞的主要故障点和重大投资点。

方案3、也有二级运营商选择如图2所示的拓朴图，在实现上使用BGP动态路由，该方案成本相对比上面低，但是需要ISP供应商多个公共IP地址段，并且相互竞争的ISP服务供应商需要同时支持二级运营商在出口路由器上作的BGP技术处理，在很大程度上来说，这种技术方案没有普遍性和易用性。地址转换也集中在一台设备上，通讯质量会受到路由器性能的限制，由此要让***正常运行，成本是不低的。

方案4、机遇目标地址的策略路由，该方案主要的运用在于少量目标服务器流量输导，不适合运用在多个ISP出口和合理使用方案上来。

针对以上方案中的问题，和对用户网络各个发展阶段的分析，本发明提供了一个适合于用户网络发展不同阶段的互联网前端***集成方案，运用本发明技术方案的一种网络拓扑图如图6所示。

本发明解决了用户从一个出口到多个出口之间的设备的平滑过渡，解决了大数据量对设备的冲击，解决了路由器因偶然故障对网络造成的损失，很好解决了用户网络投资的合理性。为二级运营商开展互联网服务提供了更好的平台。

随网络用户的发展，整个方案分为三个实施阶段。

1、用户建网初级阶段：

此阶段是二级运营商刚进入宽带网络运营阶段，同时也受到对***的搭建还不能很好的掌握，用户量少，投入资金有限，网络设备延续性等问题的困惑。在初级阶段可向ISP服务提供商申请一个出口，如图6的粗实线部分所示，本发明完成前端***的搭建。

2、用户对多个ISP出口需求阶段：

随着用户的增加，一个出口的可靠性、稳定性、带宽的限制已不能满足网络发展的需求。这时会购买多个ISP服务提供商的出口，如图6的粗虚线部分所示，先前投入的路由器在不增加任何费用的情况下，完成了网络的升级。延续了初期网络投入，降低了整个网络的成本。

3、用户大规模用户量，对前端***处理能力要求更高阶段：

随着用户量的大规模增加，对前端***的高可靠性，处理能力矛盾出现。这时，运营商希望在不淘汰以前投入的设备，而且不希望再次投入非常大的资金完成前端的平滑升级。如图6的细虚线部分所示，二级运营商的投入只是在购买一至两台与初期路由器相等的资金，就能获得多个路由器协同处理大数据量和多个路由器相互热备份的效果，这种投入是有延续性和成等值常量相加状态增加的，而不是成几何级数增加，并且不用淘汰设备。保证了网络用户从无到大规模，出口数从单个到多个在资金投入的合理性，和几个用户发展阶段的平滑过渡。

为实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：一种多出口单机或多机协同工作路由器，包括处理器及与之相联接的存储器、高速RAM、RAM和PCI接口、与PCI接口联接的网卡，其特征在于该***执行以下程序：

1)所有协同工作路由器启动后，自动探测网络中的其它节点，把其它节点在本节点上注册，当各协同工作路由器探测到所有节点后，整个***初始化完成，开始处理用户数据；

2)各节点通过发送和接收优化的UDP、TCP数据包，实时探测相互之间的健康信息，由于每个节点都会实时的发送自身健康信息，在网络数据量大时，通过精简的UDP、TCP协议加强了信息接收的精确度和安全性，各节点会根据接收到的数据信息，判断***中是否有故障节点，有，则把它从协同处理群中去除，并接替其任务，没有，继续探测；

3)协同工作路由器会接收每个用户发送数据包，并分析此数据包的源IP在所有节点中是否有记录，有则通过原有的路由方式通讯，没有，则通过协同调度程序选择最优的节点进行路由，并把此IP记录到cache中。

在步骤2)中可以延伸出路由器积木式叠加功能：当***处理能力不足，需要再增加路由器时，用户把要加的路由器配置好，放在源***的网域中，新加的路由器就会把自己的信息发送到其它路由器上，其他路由器收到此信息后，判断其合法性，通过后，注册新加的接点，该路由器容入***，共同处理用户数据。

下面举例来说明本发明在实际网络中的通信情况：

如图7所示，拓扑图由三部分组成：局域网客户机、本发明路由器和互联网服务器

体系中有两台客户机其IP地址分别是：

客户机一(IP 172.31.19.1/24 GW 172.31.19.254)

客户机二(IP 172.31.19.2/24 GW 172.31.19.254)

有四台互联网服务器：192.168.1.1/24 192.168.1.2/24192.168.1.3/24 192.168.1.4/24

假设客户机需要连接到四个互联网服务器。从图7可以看出，要访问互联网服务器，必须通过本发明路由器。但路由器同时接入了三个ISP出口，客户机怎么能知道从那个ISP出口访问目标服务器呢？这时是多方向路由(路由器根据接入的ISP出口为用户分配路由的路由形式)起到了关键作用，通过下述对用户数据在路由器上传输的论述可以了解数据是怎样通过多个出口访问目标服务器的。

可是，怎样实现负载均衡，这是高效利用多个ISP出口带宽资源的关键技术。数据进入路由器后，检测cache中是否记录该次访问记录，检测到该次访问cache中没有记录路由信息时，路由器会根据预先为每个ISP出口路由设置的权值向cache中写入该次访问的路由信息，以后凡是关于这个客户机访问的刚才访问的那个目的服务器时，它都会走同样的路由到达目的服务器，如果这个客户机访问另外一个服务器时，路由器会重新根据权值来判断它该走哪条路由，并在cache中的路由信息会生成一个缓冲延时，在这个延时未使用完时，路由器会判断是否还有相同的访问，有，则再加一个时间周期；没有，则会减一个时间周期，直到整个延时耗尽，这时如果有同样的访问产生，它会重新根据权值来判断路由，然后进入同样的延时判断。

利用上述分析结合拓扑图，我们可以看出客户机一访问服务器192.168.1.1/24 192.168.1.4/24和客户机二访问服务器192.168.1.2/24192.168.1.3/24是通过了路由器的不同出口，且每台客户机访问不同的目标服务器都是通过了路由器的不同的出口。用户数量达到一定程度后，利用统计规律，可以得出流量在多个出口上负载均衡精确度很高的结论。

根据目标地址进行路由选择结合路由权值分析的好处在于，可以更精确的负载几个ISP出口的流量，为用户更好的使用几个ISP出口和提供稳定的网络服务给予了保证。

如何实现多个节点之间的协同管理是多出口路由器的一个关键技术。多个节点同时工作需要进行有效的管理，并且，在节点上不能出现中心管理机。通过优化的协同管理算法，所有的路由器节点都参与整个***的管理。

每个节点在启动的时候，都会周期性向网络上的其他节点发送一组UDP广播包(UDP包内包含了路由器本身的参数信息)，***处于监听状态，等待其他节点发送的数据信息，当接受到其他节点发出的UDP包后，提取数据中信息，并启动协同工作进程，共同处理用户数据。

如图8所示，路由器1在启动时初始化路由器，由路由器_id参数得出网络上共有三个节点路由器，自身节点号为1，并在路由器log日志信息中记录状态为active，完成初始化后，通知网络其它节点，等待接受信息，当受到路由器2和路由器3的信息后，将其它节点的ip-address sitenameid init-num state信息记录到路由器.log中(每个节点都会维系路由器.log状态表)，这时所有节点初始化和协同处理程序启动成功。节点之间的权利是平等的，每个节点既是管理机，也是被管理机，每个节点都能感知其他节点的存在和健康状况。

当***上需要增加更多节点时，只需要把每个节点的初始化总数修改成当前的节点数，并把增加的节点放在网络中，这些新增的节点就会迅速融入到先前的集群中，再次形成一个整体。

在数据处理上，当前路由器主要的矛盾是在中低端路由器上(10万元以下售价)数据转发和NAT处理能力不足，多节点协同处理由于其数据转发和NAT是由多个设备完成的，在处理能力远大于单台路由器的处理能力，是适合于网络运营发展规律的。

本发明在达到支持多个宽带运营商出口的同时，达到动态平衡出口带宽和设备负载均衡，***永不停止；配合防火墙技术使整个运行***达到高安全性、可靠性、可用性和低成本的目的。其主要特点为：1)路由器群能同时整合多个不同ISP提供的出口，通过可控流量分配机制，从而达到流量均衡分布，无需做源地址策略路由，自动确定IP包的路径和出口。合理利用多个出口的带宽资源，节约出口费用；2)若一个出口出问题，IP包自动从其余出口到互联网，无需人工调整。可以避免人工修改参数造成的误操作，可以在一定程度上克服非正常出口中断对网络造成的不良影响；3)可积木式地组合成一个路由器群，形成多机协同工作，完成同一个目标任务，达到路由器间的负载均衡、相互热备份，达到带宽相加，***永不停止。为搭建宽带网提供了一个更加合理的投资办法，减少了资金占用，提高了投资回报率；4)设备资源占用小、效率高、成本低，驻地宽带网运营商组网时，地址、路由规划更加自由方便，支持多出口流量均衡输出的同时，完成NAT地址转换，无需专用的地址转换设备。高效的设备能力，进一步为二级运营商节约设备投资量。

Claims (2)

1、一种多出口单机或多机协同工作路由器，包括处理器及与之相联接的存储器、高速RAM、RAM和PCI接口、与PCI接口联接的网卡，其特征在于：该***执行以下程序：

1)所有协同工作路由器启动后，自动探测网络中的其它节点，把其它节点在本节点上注册，当各协同工作路由器探测到所有节点后，整个***初始化完成，开始处理用户数据；

2)各节点通过发送和接收优化的UDP、TCP数据包，实时探测相互之间的健康信息，由于每个节点都会实时的发送自身健康信息，在网络数据量大时，通过精简的UDP、TCP协议加强了信息接收的精确度和安全性，各节点会根据接收到的数据信息，判断***中是否有故障节点，有，则把它从协同处理群中去除，并接替其任务，没有，继续探测；

3)协同工作路由器会接收每个用户发送数据包，并分析此数据包的源IP在所有节点中是否有记录，有则通过原有的路由方式通讯，没有，则通过协同调度程序选择最优的节点进行路由，并把此IP记录到cache中。

2、根据权利要求1所述的多出口单机或多机协同工作路由器，其特征在于：在步骤2)中延伸出路由器积木式叠加功能：当***处理能力不足，需要再增加路由器时，用户把要加的路由器配置好，放在源***的网域中，新加的路由器就会把自己的信息发送到其它路由器上，其他路由器收到此信息后，判断其合法性，通过后，注册新加的接点，该路由器容入***，共同处理用户数据。

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