專利名稱：基于硬件的四層負載均衡交換機及其交換方法
技術領域：
本發明涉及四層負載均衡交換機及其交換方法，特別涉及基于硬件實現國際標準化組織 (ISO)制定的網絡七層協議理論參考模型(OSI)的第四層負載均衡的交換機及其交換方法。
背景技術：
常規的國際標準化組織(ISO)制定的網絡七層協議理論參考模型(OSI)的四層負載均衡 交換機，在傳遞客戶機到服務器之間的IP分組時需要進行網絡地址轉換(NAT)或者是通過 IP隧道技術處理。這增加了系統的負擔，并對系統的吞吐率有一定的影響，增加了數據包進 出系統的時延和時延抖動。
發明內容
本發明提供一種基于硬件的四層負載均衡交換機及其交換方法，中間不需要經過NAT轉 換，以降低負載均衡交換機的負擔，提高其吞吐率、降低時延和抖動。 本發明采用如下技術方案 一種基于硬件的四層負載均衡交換機，包括
通過總線連接的中央處理單元、上行鏈路接口卡、主存儲器及多個接口，其中，所述上 行鏈路接口卡中存放有TCP連接映射表一TCP—CONN—Table和負載分配地址變量一 Lightest_IP，所述負載分配地址變量一Lightest一IP用于指示當前負載最輕的集群服務器的 專用IP地址，并用此值標示從客戶端來的新建連接請求轉發到哪個集群服務器，所述主存儲 器中存放有由中央處理單元維護的負載狀態表一LS—Table。
本發明還提供一種基于硬件的四層負載均衡交換方法，采用上述的基于硬件的四層負載 均衡交換機，具體包括以下步驟-
1) 負載狀態收集步驟，收集集群服務器的負載狀態，并將其加入負載狀態表中，把當前 負載最輕的服務器的專用IP地址值賦給負載分配地址變量一Lightest—IP;
2) 連接建立步驟，對于到達的新建連接請求的TCP報文，所述四層交換機將其源IP地 址、端口號、目的端口號及LightestJP變量的值作為一條記錄插入到TCPj:ONN—Table中。
進一步地，所述步驟2)中具體包括以下步驟當有數據包從上行鏈路進入四層交換機時， 四層交換機先查看其目的地址是否是集群服務器對外的公開地址，如果不是，則丟棄；如果是，則査看其目的端口號；只有是集群服務器所提供的服務和對外開放的TCP端口號，并且 是TCP的一個同步報文，所述四層交換機把其源IP地址、端口號、目的端口號及Lightest—IP 變量的值作為一條記錄插入到TCP—C0NN_Table中。
進一步地，在所述步驟2)中，如果到達一個釋放TCP連接的請求報文，所述四層交換機 利用其源IP地址、端口號、目的端口號到TCPJX)剛—Table中找到相應的記錄，并將其從 TCP—CONN—Table中刪除。
進一步地，在所述步驟2)中，如果不是新建連接的TCP報文，也不是釋放連接的TCP報 文，所述四層交換機在TCP—CONN—Table表中查找屬于本連接的集群服務器，并把報文發送到 相應的四層交換機端口。
進一步地，所述步驟l)中，如果某個集群服務器通過SNMP的陷阱信息來報告負載與 狀態，所述四層交換機先到LSJTable中査找是否己經有過此服務器的專用IP地址的記錄，如 果沒有，則添加此服務器的記錄，如已經存在，則更新其負載參數，然后重新計算出負載指 數最輕的服務器記錄；如果負載最輕的服務器有了變化，則修改上行鏈路接口卡中的 Lightest—IP變量的值，把當前負載最輕的服務器的專用IP地址值賦給它。
進一步地，在所述步驟l)中，如果現在收到的負載報告指示服務器的負載沒有變化，則 不更新LS_Table。
進一步地，在所述步驟l)中，如果四層負載均衡交換機在設定的時間內沒有收到某個集 群服務器的性能報告，則將其記錄從LS—Table中刪除。
本發明基于硬件的四層交換技術實現的負載均衡，利用TCP端口號來區別服務，把源IP 地址、端口號與目的IP地址、端口號作為一個連接的標識，在多個連接間進行負載分擔，以 實現集群服務器的負荷相當與整個系統的大吞吐量、穩定性。它相對于Windows負載集群和 Linux群集都有更高的吞吐量和更高的性能。實際應用中，只需要集群服務器都支持SNMP協 議就可以了。它不用經過NAT轉換，實現高速、高容量、低時延的負載均衡。
圖1為本發明基于硬件的四層負載均衡交換機實施和結構示意圖2為本發明基于硬件的四層負載均衡交換機實施和在集群服務器網絡中的位置示意圖。
具體實施方式
如圖1所示， 一種基于硬件的四層負載均衡交換機，其特征在于包括 通過總線連接的中央處理單元(CPU)、上行鏈路接口卡、主存儲器及多個接口，其中，
所述上行鏈路接口卡中存放有TCP連接映射表一TCP—CONN—Table和負載分配地址變量一 Lightest_IP，所述負載分配地址變量一Lightest—IP用于指示當前負載最輕的集群服務器的 專用IP地址，并用此值標示從客戶端來的新建連接請求轉發到哪個集群服務器，所述主存儲 器中存放有由中央處理單元維護的負載狀態表一LSJTable。所述負載狀態表一LS—Table的結 構可包括集群服務器的專用IP地址、負載指數、服務質量等等字段信息。
本發明提供的基于硬件的四層負載均衡交換機(以下簡稱"四層交換機")其在集群服 務器網絡中的位置如圖2所示，其通過所述上行鏈路接口卡與所述內聯網(Intranet)相連 接，通過所述多個端口一一對應與多個集群服務器相連接。內聯網通過防火墻連接于互聯網。 四層交換機和集群服務器都運行簡單網絡管理協議(S麗P),四層交換機被指定為管理端，集 群服務器則被指定為被管理端。被管理端在服務器負載變化量超過設定值時給管理端發送一 個狀態報告；或者當超過一定時間后，服務器負載的變化量即使沒有達到設定值，也向四層 交換機發送一個狀態報告信號。四層交換機根據負載分配算法，對訪問集群系統的傳輸控制 協議(TCP)連接進行負載均衡，同時對網絡協議(IP)包作一跳以內的投遞和路由選擇。圖 1中每個集群服務器除了指定一個公開的集群IP地址以外，還分別指定一個不同的專用IP地 址。
一種基于硬件的四層負載均衡交換方法，包括以下步驟
1) 負載狀態收集步驟，收集集群服務器的負載狀態，并將其加入負載狀態表中，把當前 負載最輕的服務器的專用IP地址值賦給負載分配地址變量一Lightest—IP;
2) 連接建立步驟，對于到達的新建連接請求的TCP報文，所述四層交換機將其源IP地 址、端口號、目的端口號及Lightest—IP變量的值作為一條記錄插入到TCP—CONN—Table中。
其中，所述步驟2)中具體包括以下步驟當有數據包從上行鏈路進入四層交換機時，四 層交換機先查看其目的地址是否是集群服務器對外的公開地址，如果不是，則丟棄；如果是， 則查看其目的端口號；只有是集群服務器所提供的服務和對外開放的TCP端口號，并且是TCP 的一個同步(SYN)報文，這表明是一個新建連接請求的TCP報文到達，所述四層交換機把其 源IP地址、端口號、目的端口號及Lightest_IP變量的值作為一條記錄插入到TCP—C0麗—Table 中。
其中，在所述步驟2)中，如果到達一個釋放TCP連接的請求報文，所述四層交換機利用 其源IP地址、端口號、目的端口號到TCP—CONN—Table中找到相應的記錄，并將其從TCP—CONN—Table中刪除。
其中，在所述步驟2)中，如果不是新建連接的TCP報文，也不是釋放連接的TCP報文， 則表明正在進行的TCP連接過程，所述四層交換機在TCP—CONN—Table表中査找屬于本連接的 集群服務器，并把報文發送到相應的四層交換機端口。
其中，所述步驟l)中，如果某個集群服務器通過SNMP的陷阱(TRAP)信息來報告負 載與狀態，所述四層交換機先到LS—Table中查找是否已經有過此服務器的專用IP地址的記錄。 如果沒有，則添加此服務器的記錄，如已經存在，則更新其負載參數。然后重新計算出負載 指數最輕的服務器記錄。如果負載最輕的服務器有了變化，則修改上行鏈路接口卡中的 Lightest一IP變量的值，把當前負載最輕的服務器的專用IP地址值賦給它。這保證新建的TCP 連接建立請求，均被轉發到負載最輕的服務器來承擔。
其中，在所述步驟l)中，如果現在收到的負載報告指示服務器的負載沒有變化，則不更 新LS—Table。
其中，在所述步驟l)中，如果四層負載均衡交換機在設定的時間內沒有收到某個集群服 務器的性能報告，則將其記錄從LS—Table中刪除。這樣，所述四層交換機也就不會把新的客 戶端訪問請求轉交給該集群服務器了，也使系統能夠快速地把有故障的集群服務器排除在服 務隊列之外，提高了負載均衡的穩定性。同時LSJTable的長度也變短了，查找、更新等操作 將會更快。
權利要求
1、一種基于硬件的四層負載均衡交換機，其特征在于包括通過總線連接的中央處理單元、上行鏈路接口卡、主存儲器及多個接口，其中，所述上行鏈路接口卡中存放有TCP連接映射表-TCP_CONN_Table和負載分配地址變量-Lightest_IP，所述負載分配地址變量-Lightest_IP用于指示當前負載最輕的集群服務器的專用IP地址，并用此值標示從客戶端來的新建連接請求轉發到哪個集群服務器，所述主存儲器中存放有由中央處理單元維護的負載狀態表-LS_Table。
2. 一種基于硬件的四層負載均衡交換方法，其特征在于，采用權利要求1所述的基于硬 件的四層負載均衡交換機，具體包括以下步驟1) 負載狀態收集步驟，收集集群服務器的負載狀態，并將其加入負載狀態表中，把當前 負載最輕的服務器的專用IP地址值賦給負載分配地址變量一Lightest—IP;2) 連接建立步驟，對于到達的新建連接請求的TCP報文，所述四層交換機將其源IP地 址、端口號、目的端口號及Lightest—IP變量的值作為一條記錄插入到TCP—CONN—Table中。
3. 根據權利要求2所述的基于硬件的四層負載均衡交換方法，其特征在于 所述步驟2)中具體包括以下步驟當有數據包從上行鏈路進入四層交換機時，四層交換機先查看其目的地址是否是集群服務器對外的公開地址，如果不是，則丟棄；如果是，則査 看其目的端口號；只有是集群服務器所提供的服務和對外開放的TCP端口號，并且是TCP的 一個同步報文，所述四層交換機把其源IP地址、端口號、目的端口號及Lightest—IP變量的 值作為一條記錄插入到TCP—CONN—Table中。
4. 根據權利要求3所述的基于硬件的四層負載均衡交換方法，其特征在于-在所述步驟2)中，如果到達一個釋放TCP連接的請求報文，所述四層交換機利用其源IP地址、端口號、目的端口號到TCP—CONN—Table中找到相應的記錄，并將其從TCP一CO剛一Table 中刪除。
5. 根據權利要求4所述的基于硬件的四層負載均衡交換方法，其特征在于 在所述步驟2)中，如果不是新建連接的TCP報文，也不是釋放連接的TCP報文，所述四層交換機在TCP—CONN—Table表中査找屬于本連接的集群服務器，并把報文發送到相應的四層 交換機端口。
6. 根據權利要求5所述的基于硬件的四層負載均衡交換方法，其特征在于-所述步驟1)中，如果某個集群服務器通過SNMP的陷阱信息來報告負載與狀態，所述四層交換機先到LS—Table中查找是否已經有過此服務器的專用IP地址的記錄，如果沒有，則 添加此服務器的記錄，如已經存在，則更新其負載參數，然后重新計算出負載指數最輕的服務器記錄，如果負載最輕的服務器有了變化，則修改上行鏈路接口卡中的Lightest—IP變量的 值，把當前負載最輕的服務器的專用IP地址值賦給它。
7、 根據權利要求6所述的基于硬件的四層負載均衡交換方法，其特征在于 在所述步驟1)中，如果現在收到的負載報告指示服務器的負載沒有變化，則不更新LS_Table。
8、 根據權利要求7所述的基于硬件的四層負載均衡交換方法，其特征在于-在所述步驟l)中，如果四層負載均衡交換機在設定的時間內沒有收到某個集群服務器的性能報告，則將其記錄從LSJTable中刪除。
全文摘要
一種基于硬件的四層負載均衡交換機及其交換方法，所述四層交換機包括通過總線連接的中央處理單元、上行鏈路接口卡、主存儲器及多個接口，所述上行鏈路接口卡中存放有TCP連接映射表和負載分配地址變量，所述主存儲器中存放有由中央處理單元維護的負載狀態表。所述交換方法，包括1)負載狀態收集步驟，收集集群服務器的負載狀態，并將其加入負載狀態表中，把當前負載最輕的服務器的專用IP地址值賦給負載分配地址變量；2)連接建立步驟，對于到達的新建連接請求的TCP報文，所述四層交換機將其源IP地址、端口號、目的端口號及負載分配地址變量的值作為一條記錄插入到TCP連接映射表中。本發明不需要經過NAT轉換，提高了吞吐率、降低時延和抖動。
文檔編號H04L29/08GK101409669SQ20081004265
公開日2009年4月15日 申請日期2008年9月9日 優先權日2008年9月9日
發明者姚馳甫 申請人:上海第二工業大學