Linux服務器下多網(wǎng)卡負載均衡的探討

　　1 引言

　　現(xiàn)今幾乎各行各業(yè)內(nèi)部都建立了自己的服務器，由于服務器的特殊地位，它的可靠性、可用性及其I/O速度就顯得非常的重要，保持服務器的高可用性和安全性是企業(yè)級IT環(huán)境的重要指標，其中 重要的一點是服務器網(wǎng)絡連接的高可用性，為實現(xiàn)這些要求，現(xiàn)在服務器大都采用多網(wǎng)卡配置，系統(tǒng)大都采用現(xiàn)在非常流行的Linux作為服務器工作的環(huán)境。現(xiàn)在帶寬已經(jīng)不是服務質(zhì)量提高的瓶頸了，相對的網(wǎng)絡設備和服務器的處理能力就漸漸成為新的瓶頸。為提高服務器的網(wǎng)絡連接的可用性和可靠性，目前Sun公司的Trunking技術、3Com公司的DynamicAccess技術、Cisco公司的Etherchannel技術等等都在研究將服務器的多個網(wǎng)卡接口綁定在一起的鏈路聚集技術, 鏈路聚集技術將多個鏈路虛擬成一個邏輯鏈路進而提供了一種廉價、有效的方法擴展網(wǎng)絡設備和服務器的帶寬，提高網(wǎng)絡的靈活性與可用性。

　　本文介紹Linux下的bonding 技術，Linux 2.4.x的內(nèi)核中采用了這種技術，利用bonding技術可以將多塊網(wǎng)卡接口通過綁定虛擬成為一塊網(wǎng)卡，在用戶看來這個聚合起來的設備好像是一個單獨的以太網(wǎng)接口設備，通俗點講就是多塊網(wǎng)卡具有相同的IP地址而并行連接聚合成一個邏輯鏈路工作。現(xiàn)在在關于Linux bonding 技術中，有幾種算法來實現(xiàn)負載均衡的要求，此文針對這些算法，在此進行簡單分析與研究，討論其不足，并提出另外一種在此基礎上改進的一種基于傳輸協(xié)議的負載均衡實現(xiàn)方法。討論如何實現(xiàn)多個網(wǎng)絡接口的分在均衡及其故障接管。

　　2 負載均衡技術和高可用技術研究介紹

　　2．1 負載均衡技術

　　負載均衡技術的主要思想就是如何根據(jù)某種算法將網(wǎng)絡的業(yè)務流量平均分配到不同的服務器和網(wǎng)絡設備上去，以減輕單臺服務器和網(wǎng)絡設備的負擔，從而提高整個系統(tǒng)的效率。負載均衡既可以由有負載均衡功能的硬件實現(xiàn)，也可以通過一些專用的軟件來實現(xiàn)，負載均衡是一種策略，它能讓多臺服務器或多條鏈路共同承擔一些繁重的計算或者I/O任務，從而以較低的成本消除網(wǎng)絡瓶頸，提高網(wǎng)絡的靈活性和可靠性。

　　2．2 高可用技術

　　實現(xiàn)負載均衡首先是基于網(wǎng)絡的高可用性提出來的，高可用技術是容錯技術的一個分支。實現(xiàn)系統(tǒng)的高可用性 簡單的一個辦法就是冗余。完整的網(wǎng)絡負載均衡和高可用性網(wǎng)絡技術有兩個方面構成，一是多服務器的綁定和負載均衡，二是一個服務器內(nèi)部的多網(wǎng)卡綁定的負載均衡，這里主要討論一個服務器內(nèi)部的多網(wǎng)卡綁定時的負載均衡。

　　3 Linux的bonding技術中負載均衡的簡單實現(xiàn)

　　3．1 Linux的bonding技術

　　Linux的bonding技術是網(wǎng)卡驅動程序之上、數(shù)據(jù)鏈路層之下實現(xiàn)的一個虛擬層，通過這種技術，服務器接在交換機上的多塊網(wǎng)卡不僅被綁定為一個IP，MAC地址也被設定為同一個，進而構成一個虛擬的網(wǎng)卡，工作站向服務器請求數(shù)據(jù)，服務器上的網(wǎng)卡接到請求后，網(wǎng)卡根據(jù)某種算法智能決定由誰來處理數(shù)據(jù)的傳輸。Bonding技術可以提高主機的網(wǎng)絡吞吐量和可用性。

　　3．2 Linux的幾種發(fā)送均衡算法

　　目前Linux的發(fā)送算法 主要的有三種：輪轉算法（Round-Robin）、備份算法（Active-Backup）、MAC地址異或算法（MAC-XOR）。下面對目前這三種主要算法進行簡單分析。

　　3．2．1 輪轉算法

　　該算法是基于公平原則進行的，它為每個將要被發(fā)送的數(shù)據(jù)選擇發(fā)送接口，算法的主要思想是首先第一個數(shù)據(jù)由一個接口發(fā)送，另一個數(shù)據(jù)則由另外一個接口發(fā)送，下面依次進行循環(huán)選擇。通過分析我們可以看出這種算法比較比較簡單，在發(fā)送數(shù)據(jù)方面也比較公平，能保證網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)時候的負載均衡，資源利用率很高。但是我們知道如果一個連接或者會話的數(shù)據(jù)從不同的接口發(fā)出的話，中途再經(jīng)過不同的鏈路，在客戶端很有可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)無序到達的問題，而無序到達的數(shù)據(jù)需要重新要求被發(fā)送，這樣網(wǎng)絡的吞吐量就會下降。

　　3．2．2 備份算法

　　該算法將多個網(wǎng)卡接口中的一個接口設定為活動狀態(tài)，其他的接口處于備用狀態(tài)。當活動接口或者活動鏈路出現(xiàn)故障時，啟動備用鏈路，由此可見此算法的優(yōu)點是可以提供高網(wǎng)絡連接的可用性，但是它的資源利用率較低，只有一個接口處于工作狀態(tài)，在有N個網(wǎng)絡接口的情況下，資源利用率為1/N。

　　3．2．3 MAC地址異或算法

　　該算法的主要思想是：由服務器的MAC地址和客戶端的MAC地址共同決定每個數(shù)據(jù)的發(fā)送端口號，由源MAC地址和目的MAC地址進行異或計算，并將異或結果對接口數(shù)求余計算。由于發(fā)送到同一個客戶端的數(shù)據(jù)流經(jīng)過同一個鏈路，因此數(shù)據(jù)能夠有序到達客戶端。此算法在只有一個客戶機訪問服務器或者服務器和客戶機不在同一子網(wǎng)的情況下，由算法思想得知這種情況下負載不會均衡，在只有一個客戶機訪問服務器的時候，資源的利用率也是1/N(N為接口數(shù))。

　　通常在一個大的局域網(wǎng)內(nèi)，往往存在多個子網(wǎng)。

　　4 基于傳輸協(xié)議的發(fā)送算法

　　上面我們對Linux中的幾種實現(xiàn)多網(wǎng)卡發(fā)送負載均衡算法進行了分析，針對這些算法的不足，這里提出另外一種發(fā)送負載均衡算法。

　　4．1 算法描述實現(xiàn)

　　我們知道網(wǎng)絡傳輸協(xié)議有TCP和UDP兩種，其中UDP是一種無連接、不可靠的傳輸協(xié)議。TCP是一種提供面向連接的、可靠的字節(jié)流服務，譬如一個客戶機和一個服務器在彼此交換數(shù)據(jù)前要建立一個連接。一個TCP連接或者一個UDP會話的結構大致如下：

　　{source，dst，saddr，daddr}

　　其中source為源端口號，dst為目的端口號，saddr為源ip地址，daddr為目的ip地址。

　　基于傳輸協(xié)議的發(fā)送算法的主要思想是: 由目的主機號、目的主機所在子網(wǎng)的子網(wǎng)號及該會話的TCP或UDP的目的端口號共同決定某個數(shù)據(jù)的發(fā)送接口號，此算法和MAC地址的異或算法有點類似，因為它也是一種異或計算。

　　下面我們約定：

　　（1）host為要發(fā)送數(shù)據(jù)的目的主機號。

　　（2）subnet為目的主機的子網(wǎng)的子網(wǎng)號。

　　（3）port 為UDP或TCP連接的目的端口號。