基于負載均衡的常用網(wǎng)絡技術(shù)應用研究

摘 要：負載均衡是一個滿足用戶良好體驗的網(wǎng)絡設計與實施的重要需求。通過對常用的網(wǎng)絡技術(shù)的梳理與綜述，提煉出對負載均衡起到重要支撐作用的常用網(wǎng)絡技術(shù)。再通過一個中小型網(wǎng)絡典型案例分析，更進一步認識到這些網(wǎng)絡技術(shù)對負載均衡的重要性，以及在網(wǎng)絡工程實踐中得以正確應用。

關(guān)鍵詞：負載均衡;MSTP;VRRP;路由協(xié)議;策略路由;

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的日益普及與發(fā)展，各行業(yè)網(wǎng)絡建設也進入到快速發(fā)展升級階段，以滿足網(wǎng)絡需求日益增長的需求。但無論如何發(fā)展，負載均衡一直是網(wǎng)絡基礎架構(gòu)建設與優(yōu)化，不可回避的現(xiàn)實問題。如何正確認識與處理好這些問題，是值得研究與總結(jié)的。

1 常用的網(wǎng)絡技術(shù)

常用的網(wǎng)絡技術(shù)主要集中在二層、三層技術(shù)，如虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、生成樹（STP）、鏈路聚合（link aggregation）、虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）、路由協(xié)議、策略路由、VPN技術(shù)等。下面，介紹下對負載均衡有關(guān)鍵作用的常用網(wǎng)絡技術(shù)。

1、多生成樹協(xié)議（MSTP）

MSTP把一個交換網(wǎng)絡劃分成多個域，每個域內(nèi)形成多棵生成樹，生成樹之間彼此獨立。每棵生成樹叫做一個多生成樹實例MSTI，每個域叫做一個MST域。生成樹實例就是多個VLAN的一個集合。通過將多個VLAN捆綁到一個實例，可以節(jié)省通信開銷和資源占用率。MSTP各個實例拓撲的計算相互獨立，在這些實例上可以實現(xiàn)負載均衡。以太網(wǎng)中部署MSTP協(xié)議后可實現(xiàn)如下功能：

（1）生成多棵無環(huán)路的樹，解決廣播風暴并實現(xiàn)冗余備份。

（2）生成樹在VLAN間實現(xiàn)負載均衡，不同VLAN的流量按照不同的路徑轉(zhuǎn)發(fā)。

2、鏈路聚合（link aggregation）

鏈路聚合是指將多個物理端口捆綁在一起，成為一個邏輯端口，以實現(xiàn)出/入流量吞吐量在各成員端口中的負荷分擔，交換機根據(jù)用戶配置的端口負荷分擔策略決定報文從哪一個成員端口發(fā)送到對端的交換機。當交換機檢測到其中一個成員端口的鏈路發(fā)生故障時，就停止在此端口上發(fā)送報文，并根據(jù)負荷分擔策略在剩下鏈路中重新計算報文發(fā)送的端口，故障端口恢復后再次重新計算報文發(fā)送端口。鏈路聚合在增加鏈路帶寬、實現(xiàn)鏈路傳輸彈性和工程冗余等方面是一項很重要的技術(shù)。

3、虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）

VRRP是一種路由容錯協(xié)議，解決局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)單點失效現(xiàn)象的路由協(xié)議。

VRRP可以起到冗余網(wǎng)關(guān)的作用。VRRP解決的問題就是，通過VRRP技術(shù)協(xié)商，虛擬一個IP地址出來（VRRP可能直接使用接口定義的了地址的），這樣所有的PC只需要定義VRRP定義的那個IP地址作為網(wǎng)關(guān)即可，當主設備故障出現(xiàn)故障后，會自動切換到備用上面，從而對客戶來說是透明的。

VRRP還起到負載分擔的作用。所以，我們在做規(guī)劃時，把VLAN的網(wǎng)關(guān)平均分配到VRRP主備組中，這樣實現(xiàn)負載分擔，達到資源利用。

4、策略路由

策略路由，是一種比基于目標網(wǎng)絡進行路由更加靈活的數(shù)據(jù)包路由轉(zhuǎn)發(fā)機制。路由器將通過路由圖決定如何對需要路由的數(shù)據(jù)包進行處理，路由圖決定了一個數(shù)據(jù)包的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)路由器。

應用策略路由，必須要指定策略路由使用的路由圖，并且要創(chuàng)建路由圖。一個路由圖由很多條策略組成，每個策略都定義了1 個或多個的匹配規(guī)則和對應操作。一個接口應用策略路由后，將對該接口接收到的所有包進行檢查，不符合路由圖任何策略的數(shù)據(jù)包將按照通常的路由轉(zhuǎn)發(fā)進行處理，符合路由圖中某個策略的數(shù)據(jù)包就按照該策略中定義的操作進行處理。

策略路由可以實現(xiàn)負載平衡。使用策略路由可以設置數(shù)據(jù)包的行為，比如下一跳、下一接口等，這樣在存在多條鏈路的情況下，可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的應用不同而使用不同的鏈路，進而提供高效的負載平衡能力。

2 負載均衡的網(wǎng)絡技術(shù)典型應用

2.1 ?典型網(wǎng)絡架構(gòu)設計

典型負載均衡應用的網(wǎng)絡架構(gòu)遵循接入、匯聚、核心三層架構(gòu)設計，核心層、匯聚層交換機之間都采用鏈路聚合實現(xiàn)互聯(lián)帶寬提升，兩層之間設備實現(xiàn)全連接。匯聚層上配置VRRP實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)冗余。兩臺出口路由器分別與不同ISP相連。數(shù)據(jù)中心的服務器通過數(shù)據(jù)中心交換機與核心交換機相連。

典型網(wǎng)絡架構(gòu)設計示意圖如圖1所示。

2.2 ?典型應用與分析

1、MSTP與VRRP協(xié)同

1）.生成樹協(xié)議MSTP不僅能使交換機的環(huán)路消除，阻止廣播風暴;還能將不同VLAN分配到不同實例中，起到流量分擔的作用。

2）VRRP給我們帶來了極大的方便，物理網(wǎng)關(guān)設備壞掉了，還能繼續(xù)使用電腦上網(wǎng)，因為我們配置的是虛擬網(wǎng)關(guān)，備份的網(wǎng)關(guān)設備不會讓我們斷網(wǎng)，用戶不需要手動切換網(wǎng)關(guān)。

但是二者如果同時存在，規(guī)劃與配置網(wǎng)絡的時候，管理員應該注意：必須配置MSTP實例，并且把MSTP的VlAN主根和VRRP的MASTER放在同一設備上，否則會讓主機找網(wǎng)關(guān)的時候可能走得不是最佳路徑，丟包和延遲的風險都會增加。

2、多出口情景下策略路由應用

企業(yè)網(wǎng)絡中使用策略路由結(jié)合ACL技術(shù)，實現(xiàn)雙出口的網(wǎng)絡的路由選擇，提高網(wǎng)絡帶寬，達到負載均衡和網(wǎng)絡備份的效果。在出口路由器上規(guī)劃與配置策略路由流程及內(nèi)容為：

1）定義重分布路由圖，一個路由圖可以由好多策略組成，策略按序號大小排列，只要符合了前面策略，就退出路由圖的執(zhí)行;

2）定義路由圖每個策略的匹配規(guī)則或條件;

定義匹配規(guī)則，只有符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包才進行策略路由，如果沒有配置匹配規(guī)則，則所有數(shù)據(jù)包都符合規(guī)則。

3）定義滿足匹配規(guī)則后，路由器對符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包進行IP優(yōu)先值和下一跳的設置。

IP數(shù)據(jù)包報頭優(yōu)先值的設置，網(wǎng)絡流量大時，優(yōu)先值高的流量可以得到優(yōu)先處理。在應用策略路由時，可以對IP報頭的優(yōu)先值進行設置。當這些攜帶一定優(yōu)先值的數(shù)據(jù)包到達其它路由器時，如果該路由器啟用了隊列機制，優(yōu)先值高的數(shù)據(jù)包會得到優(yōu)先處理，其服務質(zhì)量就得到了保證。如果沒有啟用隊列機制，優(yōu)先值將沒有任何意義，所有數(shù)據(jù)包的發(fā)送按照FIFO（先進先出）的方式進行處理。

4）在指定接口中應用路由圖。

3 ?結(jié)語

通過對影響負載均衡的常用網(wǎng)絡技術(shù)的總結(jié)與典型應用分析，充分認識到正確理解技術(shù)與科學合理使用相關(guān)技術(shù)，并協(xié)同一致為基礎網(wǎng)絡架構(gòu)做好負載均衡支撐作用的重要性。隨著網(wǎng)絡新技術(shù)的發(fā)展，如虛擬化、SDN技術(shù)的出現(xiàn)，也一定會為新時代網(wǎng)絡負載均衡提供新思路、新方法。

參考文獻：

[1] 郭四維. 網(wǎng)絡工程設計與實施[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2019.

[2] 陳康 等. 網(wǎng)絡工程案例教程[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2019.

[3] 祝莉妮.計算機網(wǎng)絡技術(shù)及在實踐中的具體應用[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2019（06）

[4] 蔣遠輝 等. 多鏈路負載均衡部署與應用[J]. 信息技術(shù). 2019

[5] 韓菊蓮.策略路由在企業(yè)網(wǎng)絡中的應用[J].中國新通信，2020

基金項目：云計算平臺的安全防護研 ?省教育廳項目（X14107001002）

作者簡介：劉偉（1970年9月—），性別（男），福建福州，副教授，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡技術(shù)。