祝偉華,徐 強(qiáng)
(重慶大學(xué) 軟件學(xué)院,重慶 400044)
在Internet技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代,用戶對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度越來越高,對網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)性和冗余性的要求也隨之加強(qiáng)。IETF制定了一系列的協(xié)議來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性,其中VRRP協(xié)議就是用于在邊緣網(wǎng)絡(luò)中,避免在靜態(tài)配置缺省路由器環(huán)境下存在的單點(diǎn)故障的問題。當(dāng)局域網(wǎng)內(nèi)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障時(shí),在不改變現(xiàn)有組網(wǎng)環(huán)境的前提下,其他設(shè)備可以及時(shí)地充當(dāng)網(wǎng)關(guān)為用戶服務(wù),保障網(wǎng)絡(luò)通信的連續(xù)性。該協(xié)議要求在用戶主機(jī)第一跳節(jié)點(diǎn)最少配備2臺設(shè)備,其中一臺設(shè)備作為Master為用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),另外一臺作為Backup。當(dāng)Master出現(xiàn)故障時(shí),Backup設(shè)備能夠快速地切換為Master,保證路由器間的連通性。但是在這樣配置下,Backup設(shè)備在Master設(shè)備正常工作時(shí)不承擔(dān)任何流量轉(zhuǎn)發(fā)的功能,無法進(jìn)行流量的負(fù)載分擔(dān),極大地浪費(fèi)資源。本文就是基于該點(diǎn),設(shè)計(jì)虛擬轉(zhuǎn)發(fā)器,在VRRP協(xié)議的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載分擔(dān),解決Backup設(shè)備在空閑狀態(tài)下無法轉(zhuǎn)發(fā)流量的問題,提高資源的利用率。
VRRP的基本原理:若干臺配置VRRP協(xié)議路由器,組成1個(gè)虛擬路由器備份組。該備份組對外發(fā)布一個(gè)統(tǒng)一的虛擬IP地址,局域網(wǎng)內(nèi)用戶使用虛擬IP地址作為自己的默認(rèn)網(wǎng)關(guān),其中組內(nèi)路由器時(shí)刻扮演著Master和Backup角色。在一個(gè)備份組內(nèi),只有扮演Master角色的設(shè)備,負(fù)責(zé)相應(yīng)下掛主機(jī)的ARP請求和轉(zhuǎn)發(fā)IP報(bào)文,其他設(shè)備均處于Backup狀態(tài),周期性接收Master設(shè)備發(fā)送的協(xié)議報(bào)文,而且不能參與流量轉(zhuǎn)發(fā)。在標(biāo)準(zhǔn)的VRRP協(xié)議中,如果要提高資源的利用率,需要在每臺設(shè)備上配置多個(gè)VRRP備份組,使所有設(shè)備都參與流量的轉(zhuǎn)發(fā),因此在具有N臺設(shè)備的情況下,需要配置N組虛擬路由器,對外發(fā)布N個(gè)虛擬IP地址,每臺設(shè)備在N個(gè)備份組內(nèi)互為Master和Backup設(shè)備,負(fù)責(zé)各自備份組內(nèi)的流量轉(zhuǎn)發(fā)。雖然配置多個(gè)備份組可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的目的,但是配置過于復(fù)雜,必須固定用戶組,每個(gè)用戶組需要配備不同的虛擬IP地址,完全依賴用戶的配置,無形中給網(wǎng)絡(luò)管理員增加額外的負(fù)擔(dān),無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載分擔(dān)的功能。
改進(jìn)的VRRP+協(xié)議正是基于標(biāo)準(zhǔn)VRRP協(xié)議不足而提出的。該協(xié)議只需在局域網(wǎng)中配置一個(gè)VRRP備份組,對外發(fā)布一個(gè)虛擬IP地址作為默認(rèn)網(wǎng)關(guān),當(dāng)下掛主機(jī)發(fā)送ARP請求網(wǎng)關(guān)MAC時(shí),由備份組內(nèi)的Master設(shè)備回應(yīng)不同的虛擬MAC地址,每個(gè)虛擬MAC對應(yīng)VRRP備份組的不同的設(shè)備,從而將不同主機(jī)的流量動(dòng)態(tài)的定向到備份組內(nèi)不同設(shè)備上。這種實(shí)現(xiàn)無論是對網(wǎng)絡(luò)管理員還是用戶來講都是透明的,并且完全可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化以及負(fù)載分擔(dān)。
基于上述想法,通過對VRRP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議報(bào)文的研究分析,在原有的VRRP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議報(bào)文進(jìn)行改進(jìn),添加Option字段,設(shè)計(jì)虛擬轉(zhuǎn)發(fā)器以及相應(yīng)的狀態(tài)機(jī),增加報(bào)文和定時(shí)器類型,改進(jìn)設(shè)計(jì)報(bào)文交互機(jī)制,在保證標(biāo)準(zhǔn)VRRP狀態(tài)機(jī)的正常報(bào)文交互的前提下,達(dá)到動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡的目的。
2.1.1 VRRP 協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)
VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)是成功實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的第1步。狀態(tài)機(jī)保證備份組內(nèi)設(shè)備狀態(tài)正常切換,確定備份組中每臺路由器的各自的地位和職能。Master負(fù)責(zé)相應(yīng)用戶主機(jī)的ARP請求,Backup設(shè)備通過周期性的接收Master設(shè)備的Advertise報(bào)文,對Master進(jìn)行監(jiān)控,使整個(gè)VRRP組能夠及時(shí)的響應(yīng)下掛主機(jī)的ARP請求。
2.1.2 虛擬轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)機(jī)
標(biāo)準(zhǔn)VRRP狀態(tài)機(jī)確定了備份組內(nèi)各個(gè)設(shè)備的角色,無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡,因此為實(shí)現(xiàn)VRRP動(dòng)態(tài)負(fù)載分擔(dān)需要設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)發(fā)器和狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制。參考VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī),本轉(zhuǎn)發(fā)器對應(yīng)的狀態(tài)機(jī)設(shè)置Initial、Listen、Active三種狀態(tài),同時(shí)后2種狀態(tài)對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)例稱為BVF和AVF。每個(gè)設(shè)備對應(yīng)1個(gè)虛擬 MAC,每個(gè)虛擬MAC對應(yīng)1個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)例。每個(gè)設(shè)備將自己的MAC對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)例的狀態(tài)設(shè)置為Active,并且負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)該Mac對應(yīng)的流量,同時(shí)將備份組內(nèi)其他設(shè)備的MAC對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)例狀態(tài)設(shè)置為Listen。
Advertise Message:在VRRP+備份組內(nèi)的設(shè)備,周期性發(fā)送Advertise報(bào)文用于通告本路由器上備份組和狀態(tài)機(jī)的狀態(tài),其他設(shè)備接收到該報(bào)文之后,進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,包括VRRP狀態(tài)機(jī)的Master搶占、虛擬轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)的接管等等。與標(biāo)準(zhǔn)VRRP協(xié)議不同的是,在VRRP組內(nèi)無論Master設(shè)備還是Backup設(shè)備均允許發(fā)送和接收此報(bào)文。
Request Message:由于在VRRP+備份組內(nèi),處于Master設(shè)備在應(yīng)答主機(jī)的ARP請求時(shí),需要回應(yīng)不同的虛擬MAC地址,因此Request報(bào)文是由處于Backup狀態(tài)的路由器發(fā)送至Master路由器,請求分配虛擬MAC地址。
Reply Message:Master路由器在接收到 Request報(bào)文之后,分配一個(gè)當(dāng)前未曾使用的虛擬MAC地址,并將分配的MAC地址填充到Reply報(bào)文的Option字段發(fā)送至Back設(shè)備。設(shè)備接收到報(bào)文之后,創(chuàng)建虛擬MAC地址對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)實(shí)例,并且設(shè)定該虛擬MAC地址對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)實(shí)例狀態(tài)為Active。
Release Message:當(dāng)虛擬轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)中AVF實(shí)例出現(xiàn)故障或者退出,不能在繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)流量,接替其轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備發(fā)送Release報(bào)文,通告?zhèn)浞萁M內(nèi)其他設(shè)備刪除出現(xiàn)故障的Active實(shí)例。
ActiveVF Time:搶占定時(shí)器。與VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)的Hold_Timer定時(shí)器作用類似,是用來設(shè)置LVF更新為AVF的時(shí)間間隔。該定時(shí)器只存在處于Listen狀態(tài)下。
Redirect Timer:重定向定時(shí)器。本定時(shí)器用于當(dāng)某個(gè)設(shè)備上的AVF無法轉(zhuǎn)發(fā)流量時(shí),通過選舉機(jī)制確定備份組內(nèi)某個(gè)設(shè)備接替其進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)開啟重定向定時(shí)器。該定時(shí)器超時(shí)前,Master路由器仍然會(huì)采用該 AVF對應(yīng)的虛擬MAC地址應(yīng)答主機(jī)的ARP請求。待定時(shí)器超時(shí)之后,Master路由器不再使用AVF對應(yīng)的MAC進(jìn)行應(yīng)答。
TimeOut Timer:生存定時(shí)器。與Redirect Timer的工作場景一樣,但是本定時(shí)器是用來限制某個(gè)設(shè)備接替出現(xiàn)故障AVF的工作期限,在定時(shí)器超時(shí)前,備份組內(nèi)設(shè)備都會(huì)保留該實(shí)例,一旦該定時(shí)器超時(shí)之后,備份組內(nèi)所有設(shè)備刪除該實(shí)例,并且不再轉(zhuǎn)發(fā)目的MAC地址為該VF實(shí)例對應(yīng)的虛MAC地址的報(bào)文,需要主機(jī)重新進(jìn)行ARP解析,請求虛擬MAC地址。
RequestMac Timer:請求MAC定時(shí)器。當(dāng)進(jìn)行完整的VRRP配置之后,VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)由Initial變?yōu)锽ackup狀態(tài)時(shí),設(shè)備會(huì)向Master發(fā)送Request報(bào)文,請求虛擬MAC地址,同時(shí)開啟該定時(shí)器。在定時(shí)器超時(shí)前,如果獲取到MAC之后,則創(chuàng)建自己的AVF實(shí)例。超時(shí)之后,設(shè)備的狀態(tài)更新為Initial狀態(tài)。
VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)仍然使用VRRP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定的3種狀態(tài):Initial/Backup/Master。但是為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載分擔(dān),一個(gè)接口IP地址唯一標(biāo)識一個(gè)接口,備份組的虛IP地址對應(yīng)多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)實(shí)例,這些實(shí)例需要加入相應(yīng)的ARP信息,如果用戶希望對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理,就可能出現(xiàn)控制非期望設(shè)備的情況,因此對VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)進(jìn)行改造,不存在IP地址擁有者,即不存在Initial狀態(tài)直接切換到Master狀態(tài)(圖1)。
圖1 VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換
下面是管理狀態(tài)機(jī)各個(gè)狀態(tài)的遷移規(guī)則:
Initial狀態(tài):初始化狀態(tài)。在該狀態(tài)下,VRRP進(jìn)程已經(jīng)啟動(dòng),但是配置不尚未完備。如果VRRP虛IP與接口IP在同一個(gè)網(wǎng)段,那么:設(shè)備創(chuàng)建Hold_Time定時(shí)器,設(shè)置為Master_Down_Interval;創(chuàng)建RequestMAC定時(shí)器,發(fā)送Request報(bào)文,請求虛擬MAC地址;狀態(tài)遷移至Backup狀態(tài)。
Backup狀態(tài):該狀態(tài)下設(shè)備存在Hold_time定時(shí)器和Hello_Time定時(shí)器,如果Hello_Time定時(shí)器超時(shí),設(shè)備發(fā)送Adevertise報(bào)文,報(bào)文中攜帶設(shè)備上AVF實(shí)例信息。如果設(shè)備上還沒有創(chuàng)建自己的AVF實(shí)例,發(fā)送Request報(bào)文,請求虛擬MAC地址,并且設(shè)置RequestVF Time定時(shí)器。同時(shí)接收其他設(shè)備發(fā)送的Advertise報(bào)文,并根據(jù)報(bào)文中攜帶的實(shí)例信息,創(chuàng)建備份實(shí)例。
如果設(shè)備接收Master發(fā)送的VRRP通告報(bào)文,當(dāng)通告報(bào)文中的優(yōu)先級字段為零時(shí),設(shè)備重置Hold_time定時(shí)器值為Skew_Time;當(dāng)設(shè)備開啟搶占模式或通告報(bào)文攜帶的優(yōu)先級大于等于設(shè)備本地優(yōu)先級時(shí),設(shè)備重置Hold_time定時(shí)器值為Master_Down_Interal,狀態(tài)保持為Backup狀態(tài),否則,丟棄報(bào)文,等待Hold_Time定時(shí)器超時(shí)。
如果配置VRRP的接口關(guān)閉,那么設(shè)備刪除Hold_time定時(shí)器和Hello_Time定時(shí)器,狀態(tài)更新為Initial。
如果Hold_Time定時(shí)器超時(shí),那么設(shè)備刪除Hold_time定時(shí)器,更新狀態(tài)為Master。
如果Hello_Time定時(shí)器超時(shí),那么設(shè)備發(fā)送Adevertise報(bào)文,狀態(tài)更新為Backup。
Master狀態(tài):該狀態(tài)下設(shè)備僅存在Hello_Time定時(shí)器,定時(shí)器超時(shí)時(shí)發(fā)送Advertise報(bào)文,同時(shí)監(jiān)聽下掛主機(jī)的ARP請求和其他設(shè)備請求虛擬MAC地址的Request報(bào)文。當(dāng)接收到主機(jī)發(fā)送的ARP請求時(shí),Master設(shè)備根據(jù)負(fù)載均衡算法,使用不同的虛擬MAC地址進(jìn)行回應(yīng)。當(dāng)接收到Request報(bào)文時(shí),Master設(shè)備查看自己的MAC地址池,分配空閑的虛擬MAC地址。
如果配置VRRP的接口關(guān)閉,那么設(shè)備刪除Hello_Time定時(shí)器,并且發(fā)送Advertise報(bào)文,報(bào)文中攜帶的優(yōu)先級為零,同時(shí)更新狀態(tài)為Initial。
如果設(shè)備監(jiān)聽到其他設(shè)備的Advertise報(bào)文攜帶的優(yōu)先級大于等于本地優(yōu)先級(如果優(yōu)先級等于,設(shè)備會(huì)比較報(bào)文中接口的IP地址,大者按照如下規(guī)則轉(zhuǎn)換,如果小于就丟棄報(bào)文),那么設(shè)備創(chuàng)建Hold_time定時(shí)器,設(shè)置Master超時(shí)定時(shí)器為Master_Down_Interal,同時(shí)更新狀態(tài)為Backup Else設(shè)備,直接丟棄報(bào)文。
處于Backup狀態(tài)和Master狀態(tài)的設(shè)備都會(huì)定時(shí)發(fā)送Adevertise報(bào)文,報(bào)文中必須攜帶本設(shè)備上AVF實(shí)例信息,以便其他設(shè)備能夠及時(shí)的給予更新。當(dāng)接收到其他設(shè)備發(fā)送的Release報(bào)文時(shí),解析出報(bào)文中攜帶的VF實(shí)例所對應(yīng)的虛擬MAC地址,并查詢本地實(shí)例表,然后刪除相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)例表項(xiàng),Master回收相應(yīng)的MAC地址。
Intital狀態(tài):初始化狀態(tài)是由于設(shè)備上的虛擬MAC地址沒有下發(fā)到底層驅(qū)動(dòng),無法接收和發(fā)送任何報(bào)文。待VRRP配置完備之后,Inital狀態(tài)向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)則如下:
如果設(shè)備上沒有虛擬轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例(設(shè)備的VRRP協(xié)議管理狀態(tài)機(jī)剛由Initial轉(zhuǎn)換為 Backup),當(dāng)設(shè)備監(jiān)聽到Master回應(yīng)的Reply報(bào)文時(shí),設(shè)備解析Reply報(bào)文,提取分配的虛擬MAC地址,創(chuàng)建自己的實(shí)例,直接狀態(tài)遷移至 Active,設(shè)置優(yōu)先級為255,同時(shí)發(fā)送Advertise報(bào)文。
如果設(shè)備監(jiān)聽到其他設(shè)備發(fā)送的Advertise報(bào)文,那么設(shè)備解析Advertise報(bào)文,提取虛擬MAC地址,創(chuàng)建相應(yīng)的實(shí)例,設(shè)置優(yōu)先級為127,開啟ActiveVF定時(shí)器同時(shí)狀態(tài)遷移至Listen。
如果設(shè)備上擁有VF實(shí)例(此時(shí)VRRP配置重新生效,例如權(quán)重從下限值以下恢復(fù)到下限值以上),那么設(shè)備將自己虛擬MAC對應(yīng)的VF實(shí)例狀態(tài)遷移至Active,同時(shí)向驅(qū)動(dòng)下發(fā)虛MAC,將其他的VF實(shí)例狀態(tài)遷移至為Listen,并且分別開啟對應(yīng)的ActiveVF定時(shí)器。
Listen狀態(tài):在Listen狀態(tài)下,設(shè)備主要是用來備份其他設(shè)備的AVF實(shí)例信息,當(dāng)某個(gè)設(shè)備的AVF不能轉(zhuǎn)發(fā)流量時(shí),能夠進(jìn)行選舉及時(shí)接管流量,恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。該狀態(tài)下的VF實(shí)例是無法進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)的。下面是該狀態(tài)向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則:
如果設(shè)備監(jiān)聽到Advertise報(bào)文,當(dāng)報(bào)文中VF實(shí)例對應(yīng)的優(yōu)先級為零 時(shí),設(shè)備刪除該實(shí)例對應(yīng)的ActiveVF定時(shí)器,接口下發(fā)虛MAC地址,同時(shí)發(fā)送Hello報(bào)文,啟動(dòng)該VF實(shí)例的Redirect定時(shí)器和TimeOut定時(shí)器,狀態(tài)更新為Active。
如果報(bào)文中的VF實(shí)例對應(yīng)的優(yōu)先級高于等于本地優(yōu)先級(如果等于,但是接口IP地址大于本地),那么設(shè)備重置ActiveVF定時(shí)器值為VF_Active_Time,狀態(tài)保持為Listen;否則,設(shè)備重置ActiveVF定時(shí)器值為VF Prempt_Delay_Time,狀態(tài)繼續(xù)保持為Listen。
如果ActiveVF定時(shí)器超時(shí),那么設(shè)備刪除該VF實(shí)例對應(yīng)的 ActiveVF定時(shí)器,接口下發(fā)虛MAC地址,同時(shí)發(fā)送Advertise報(bào)文,啟動(dòng)該VF實(shí)例的Redirect定時(shí)器和TimeOut定時(shí)器,狀態(tài)更新為Active。
如果虛擬轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)例的權(quán)重下降到下限值以下或接口接收到關(guān)閉事件 ,那么設(shè)備刪除ActiveVF定時(shí)器,狀態(tài)遷移至Initial。
Acitve狀態(tài):在Active狀態(tài)的VF實(shí)例能夠轉(zhuǎn)發(fā)目的MAC地址為該VF實(shí)例對應(yīng)的虛MAC地址報(bào)文。下面是該狀態(tài)向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則:
如果配置VRRP的接口關(guān)閉或 VF實(shí)例權(quán)重下降到下限值以下,那么設(shè)備發(fā)送Advertise報(bào)文,報(bào)文中攜帶優(yōu)先級為零,接口刪除虛擬MAC,狀態(tài)遷移至Initial。
如果TimeOut定時(shí)器超時(shí),那么設(shè)備發(fā)送Release報(bào)文,通知其他設(shè)備刪除VF實(shí)例,并且從接口上刪除虛 MAC,刪除 Redirect定時(shí)器,刪除TimeOut定時(shí)器,狀態(tài)先遷移至Initial,然后刪除。
如果設(shè)備監(jiān)聽到Hello報(bào)文中的VF實(shí)例優(yōu)先級大于等于本地優(yōu)先級(優(yōu)先級相等但是接口IP地址大于本地IP地址),那么設(shè)備創(chuàng)建VF Active定時(shí)器,從接口上刪除虛MAC,狀態(tài)遷移至Listen。
圖2 VRRP+轉(zhuǎn)發(fā)器狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(三角)
標(biāo)準(zhǔn)的VRRP協(xié)議之所以不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載分擔(dān),其主要原因是由于一個(gè)虛擬IP地址只能對應(yīng)一個(gè)MAC,雖然可以通過設(shè)置多個(gè)備份組來達(dá)到負(fù)載均衡的目的,但是需要?jiǎng)澐钟脩羧?,每個(gè)用戶群固定用戶數(shù)量,在設(shè)備上配備不同的備份組,配置比較負(fù)載,不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡。而本文中提出的VRRP+協(xié)議,可以完美的解決上述的問題,只需要在設(shè)備上配置一個(gè)備份組,發(fā)布一個(gè)虛IP地址,就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡,方便用戶主機(jī)的管理,最大程度上提高了資源利用率,在現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)流量激增的時(shí)代,具有很大的實(shí)用意義。
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