CN111884922B - 跨设备链路聚合的本地转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了跨设备链路聚合的本地转发方法，属于链路聚合技术领域，包括本地转发系统建立阶段和本地转发阶段，所述本地转发系统建立阶段首先建立VP映射表；然后由主机发送的报文，到达任一VAL设备，进行本地学习；本地学习后的报文将进行重定向处理，重定向到INT端口，发送到对端；然后基于VAL TAG中VLAN ID字段转换而来的VP端口来学习，同步学习完转发表项后，后续到达任一VAL设备的转发报文，将通过本地查表完成转发。本发明软件处理逻辑简单，易于开发，周期短，对平台和资源的需求少，影响低，无需软件维护MAC地址转发表和封装/解封装等操作。

Description

跨设备链路聚合的本地转发方法

技术领域

本发明属于链路聚合技术领域，具体是跨设备链路聚合的本地转发方法。

背景技术

链路聚合技术将多条链路聚合成一个逻辑链路来扩充带宽，理论上聚合后的带宽为参与聚合的每条链路带宽的总和。链路聚合在提高带宽的同时，也提供链路备份功能，即其中一条物理链路出现故障后，可自动重分配此链路上的流量到同一聚合链路的其它物理链路上。

如图1所示，链路聚合的对等端设备都必须是单一的设备，当聚合口所在的设备出现故障后，整个聚合链路也无法继续工作。而随着数据中心网络的发展，在接入层的转发网络中，为增加拓扑的稳定性，除了传统链路级的备份之外，还提出了设备级备份的需求。传统的STP(生成树协议)布网,堆叠等技术可满足设备级的备份，但由于其协议复杂性，布网成本太高和故障切换导致的丢包延迟大，不太适应数据中心网络。而跨设备的链路聚合方案恰恰弥补了以上的不足，从而逐渐应用于数据中心网络中。

跨设备的链路聚合，不同厂商有不同的名称，例如Cisco的VPC，IBM的VLAG等。本文固定简称为VAL(Virtual Aggregation Link虚拟聚合链路)。其通过将聚合链路扩展到不同的设备上，通常为2台，从而提供设备级的链路备份。

如图2所示，逻辑上，VAL Switch 1和VAL Switch 2作为一个虚拟逻辑设备，呈现给uplink和downlink switch。可同时在两台聚合设备之间的聚合链路之间提供负载均衡转发，以最大限度的利用带宽。而当虚拟聚合设备中的其中一台物理设备出现故障后，流量将自动切换到与另一台VAL设备连接的链路上，保证网络转发的持续。

如图3所示，VAL方案需要处理的关键问题之一是本地转发，即数据报文到达任一VAL交换设备后，都可通过本地查表(通过同步机制，在两台设备上建立对等的转发表)，单播转发到连接目的设备的链路上，从而避免通过广播转发造成带宽浪费。

如图4所示，引入本地转发后，通过同步机制在VAL设备之间对学习到的MAC地址转发表项互相进行同步，最终在两台VAL设备上都拥有到达目的主机的转发表项，并用于本地单播转发。结合VAL实际的应用场景，总结MAC地址转发表同步规则如下：

1)正常情况下，即VAL端口在对等的两个VAL设备都处于活动状态时(都能正常转发时)，本地VAL端口上学习到的MAC地址转发表项需要同步到对端设备的VAL端口上；

2)当对端VAL端口处于非活动状态时，本地VAL端口上学习到的MAC地址转发表项需要同步到对端设备的VAL INT端口上；

3)对于非VAL端口上学习到的MAC地址转发表项需要同步到对端设备的VALINT端口上。

由于1)和2)两条规则的要求，当VAL端口活动状态改变时，转发端口需要在VAL端口和INT端口之间切换，于是存在刷新MAC地址表项的需求。在学习有大量MAC地址转发表的情况下，刷新开销非常大，是系统性能瓶颈之一。

如图5所示，以图5为例，说明各种地址同步规则产生的最终MAC地址转发表项，假设：

1)Host 1通过VAL链路，与VAL switch 1和VAL switch 2相连，连接的VAL链路端口为VAL Port1；

2)Host 2通过VAL链路，与VAL switch 1和VAL switch 2相连，连接的VAL链路端口为VAL Port2；

3)Host 3和Host 4通过普通端口分别连接到VAL switch 1和VAL switch 2的Port 3。

其中，Host 1与VAL Switch 1之间的链路出现故障，其报文(包括用于地址学习的报文)只有通过到VAL Switch 2的链路进行发送，而Host 2发送的用于地址学习的报文，将通过到VAL Switch 1的链路进行转发。VAL switch 1本地将学习到Host 2和Host 4的转发表项分别在VAL Port 2和物理Port 3上。VAL switch 1本地将学习到Host 1和Host 3的转发表项分别在VAL Port 1和物理Port 3上。

根据同步规则，MAC地址转发表同步的结果为：

在VAL switch 1上：

1)由于VAL switch 1 VAL Port 1出现故障，对端VAL switch 2学习到VAL Port1上的Host 1将同步学习到INT Port上，以便后续转发到VAL switch 1，但目的地是Host 1的报文能通过VAL switch 1→INT port→VAL switch 2→VAL Port 1→Host 1的单播路径转发；

2)对端非VAL port上学习到的Host 3将同步学习到INT port上，同理后续转发到VAL switch 1，但目的地是Host 3的报文能通过VAL switch 1→INT port→VAL switch 2→Port 3→Host 3的单播路径转发。

在VAL switch 2上：

1)在对端VAL switch 1学习到VAL Port 2上的Host 2将同步学习到本地VALPort 2上，后续转发到VAL switch 2，但目的地是Host 2的报文直接通过本地VAL Port 2转发到Host 2；

2)对端非VAL port上学习到的Host 4将同步学习到INT port上，后续转发到VALswitch 2，但目的地是Host 4的报文能通过VAL switch 2→INT port→VAL switch 1→Port 3→Host 4的单播路径转发。

综上所述，VAL设备之间的MAC地址转发表同步规则比较复杂，传统的基于物理接收端口的MAC地址学习无法满足灵活多变的学习规则。只能在本地学习后，通过软件处理的方式，收集需要进行同步的MAC转发表项，按照前述的同步规则对转发表项进行封装，并周期性的通过私有数据传输协议，发送到对端设备，待对端设备解析后，更新到对端本地的MAC地址转发表中。因此现有技术存在以下几点缺陷：

1.软件处理逻辑复杂，包括对地址表项的维护，同步表项的收集，同步报文封装、解封装等大量处理，开发难度大，周期长；

2.软件同步延迟大，对拓扑变化的响应速度慢，拓扑变化时，流量恢复时间长；

3.在大量MAC地址转发表项的应用场景中，同步大量转发表项带来的资源消耗大，对CPU和内存的需求大，平台依赖强；

4.链路切换开销大，流量转发恢复时间长，包括单链路故障切换或设备故障切换时刷新转发端口等。

发明内容

本发明的目的在于提供跨设备链路聚合的本地转发方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

跨设备链路聚合的本地转发方法，包括本地转发系统建立阶段和本地转发阶段；

所述本地转发系统建立阶段具体建立过程如下：

S1.建立VP映射表：在配置VAL规则的时候建立；

S2.本地学习：通过物理端口进行学习，而非基于VP学习；

S3.学习报文重定向：本地学习后的报文将进行重定向处理，重定向到INT端口，发送到对端。

S4.同步地址学习：基于VAL TAG中VLAN ID字段转换而来的VP端口来学习；

所述同步学习完转发表项后，后续到达任一VAL设备的转发报文，将通过本地查表完成转发；

所述本地转发阶段具体分为以下两种转发规则：

A.若查表结果的转发端口为物理端口(VAL Port或其它非VAL物理Port)，直接从该端口进行转发；

B.若查表结果的转发端口为VP端口(保留端口号，可判断)，将用VP端口在VP映射表中进行二级查找，找到对应的转发物理端口

作为本发明的进一步方案：步骤S1中所述的VP到VLAN ID的映射采用固定映射，形成一一对应关系。

作为本发明的进一步方案：步骤S3借助于VAL TAG的VLAN ID字段来封装VP信息，VAL TAG为VLAN TAG，采用保留的TPID值，VLAN ID与VP的互相转换通过VP映射表进行映射。

作为本发明的进一步方案：所述在单链路故障发生时,不需要刷新整个MAC地址转发表，只需要修订对应VP中的转发物理端口。

作为本发明的再进一步方案：所述本地学习的报文借助于类QinQ技术，添加带VP信息的VLAN TAG后，重定向到对端VAL设备，对端设备基于VP的地址同步学习。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

1.软件处理逻辑简单，易于开发，周期短；

2.对平台和资源的需求少，影响低，无需软件维护MAC地址转发表和封装/解封装等操作；

3.同步速度快，对拓扑的变化感知快，整体VAL系统的转发性能高，可达到线速的转发同步；

4.VAL单链路故障和恢复过程中，转发表项切换开销小，整体性能更高，由此切换带来的丢包时间更短。

附图说明

图1为现有技术链路聚合的模型图。

图2为现有技术VAL应用的模型图。

图3为现有技术无本地转发的VAL转发模型图。

图4为现有技术同步地址表项后的本地转发流程示意图。

图5为现有技术MAC地址转发表同步规则示意图。

图6为跨设备链路聚合的本地转发方法中VAL转发系统同步学习示意图。

图7为跨设备链路聚合的本地转发方法中本地转发系统的转发逻辑示意图。

图8为跨设备链路聚合的本地转发方法中硬件方案的同步性能示意图。

图9为跨设备链路聚合的本地转发方法中软件方案的同步性能示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

本发明公开了跨设备链路聚合的本地转发方法，包括本地转发系统建立阶段和本地转发阶段，

(一)本地转发系统建立阶段

如图6所示，转发系统的建立，即MAC地址转发表在对等的VAL设备之间同步学习的过程。

1.建立VP映射表

VP映射表为配置表，在配置VAL规则的时候建立，对等的VAL设备上，其映射表相同。表项内容为VP和实际转发端口(VAL Port或VAL INT Port)的对应关系，以及VP和VLANID之间的映射(用于将VP封装到VAL TAG中传输)；表1为VP映射表，此处以表1的映射关系为例进行说明，但本设计并不限于此种映射规则，可根据实际应用情况调整映射方案。

本例中，VP取值范围为10000～14095，采用区别于物理端口号的保留端口号范围。VP 10000分配给VALINT端口，用于非VAL端口上的MAC地址同步学习。VP 10001到VP 14095为VAL端口上的MAC地址同步，其表项中的VAL Port将在该VAL实例出现单链路故障时，修改为VAL INT端口，而在故障恢复时，重新修改回之前的VAL Port。

VP到VLAN ID的映射采用固定映射，VLAN ID＝VP-10000的方式，形成一一对应关系，便于对VP的封装传输和反向解析。

表1：VP映射表

VP	VAL Port	VAL VLAN ID
			10000	VAL INT	0
10001	VAL Port 1	1
			10002	VAL Port 2	2
10003	VAL Port 3	3
			...
14095	VAL Port 4095	4095

2.本地学习

主机发送的报文，到达任一VAL设备，都要先进行本地学习。本地学习仍然采用原有的学习模式，通过物理端口进行学习，而非基于VP学习。如图6所示，主机Host 1被学习到VAL Port 1上，而非VP 10001上。

3.学习报文重定向

本地学习后的报文将进行重定向处理，重定向到INT端口，发送到对端，被重定向的报文仅仅是用于本地学习的报文，包括新学习的和产生地址迁移需要更新转发地址表项的报文；由于对端设备需要基于VP进行学习，所以重定向时，需要附加VP信息传送到对端。本设计借助于VAL TAG的VLAN ID字段来封装VP信息，VAL TAG为VLAN TAG，采用保留的TPID值，例如0x86FF，避免对原有VLAN系统造成影响。VLAN ID与VP的互相转换通过VP映射表进行映射；至此，学习报文将被附加上带有VP信息的VAL TAG，重定向到对端VAL设备。

(1)学习报文的重定向处理可归纳为流处理过程，其对流的匹配规则为：

1)Learning NEW or Learning Moving status flag，即新学习和产生地址迁移事件的报文；

2)接收端口，不同的接受端口属于的VP不同，从而添加的VLAN ID不同。

(2)对于匹配的流，其采取的后续策略为：

1)添加VLAN Tag,TPID字段为0x86FF，VLAN ID根据接收端口而定；

2)重定向到INT Port。

4.同步地址学习

同步地址学习是对端设备基于重定向的学习报文进行地址学习。区别于传统基于接收端口的学习，同步地址的学习基于VAL TAG中VLAN ID字段转换而来的VP端口来学习。VLAN ID字段到VP端口的转换通过VP映射表进行关联；同步地址的学习仅仅在VAL INT端口上，针对带VAL TAG的报文进行。其余端口及非VAL TAG的报文将通过传统的地址学习模式，互不干扰。对带VAL TAG的报文学习后需要丢弃，不再进行转发；至此，整个地址同步学习的过程完成，理论上通过硬件技术辅助，可达到线速的地址同步学习和拓扑变化感知刷新。

本设计仅定义同步学习和本地转发的模型，并不限制其实现的具体方式是硬件还是软件，本章节仅仅描述硬件和软件两种实现方式下，各自的性能指标。

如图8所示，由于硬件同步转发，学习报文在本地和对端设备的接收时间差为T2，即报文在系统之间的硬件转发延迟，为线速转发，几乎可忽略不计。而本地学习和同步学习也依靠硬件自动学习方式，学习时间T1＝T3，可达到线速的学习处理性能，所以整体同步学习性能是可达到线速的，系统间的同步时差为T2≈0。

如图9所示，对于不支持硬件方案的软件实现方案，T2同样为硬件转发延迟，可忽略不计；报文到达本地到学习的时间为T0，而本地软件转发延迟时间为T1，对端学习时间T3，等于T0，则两个系统的学习时间差为：T＝(T1+T2+T3)-T0＝T1+T2≈T1，本地软件转发延迟T1依赖系统转发性能，由于其在驱动层直接转发，同样可达到近似线速的同步性能。

(二)本地转发阶段

如图7所示，对于同步学习完转发表项后，后续到达任一VAL设备的转发报文，将通过本地查表完成转发；若查表结果的转发端口为物理端口(VAL Port或其它非VAL物理Port)，直接从该端口进行转发；若查表结果的转发端口为VP端口(保留端口号，可判断)，将用VP端口在VP映射表中进行二级查找，找到对应的转发物理端口。

其中，二级查表的优势还在于，在单链路故障发生时，不需要刷新整个MAC地址转发表，只需要修订对应VP映射表中的转发物理端口即可。例如图7中的VAL switch 1到Host1的链路发生故障，仅仅需要更新VP映射表中的VP 10002对应的物理转发port为VAL INTPort即可，后续转发二级查表时，将从INT Port转发，而非出现故障的VAL Port 1。同理，待故障恢复后，将VP 10002对应的转发端口更新回VAL Port 1即可；MAC地址转发表依靠各自的老化机制进行老化处理，对于配置层面的MAC地址表项删除和添加，将通过配置分发机制到各VAL设备上进行操作，不在本发明处理的范围内。

本发明的主要是通过分级的MAC地址转发表设计，采用基于虚拟端口(VP)的地址学习和转发时的二级映射到物理转发端口的设计，避免单链路故障切换时的MAC地址刷新消耗带来的链路切换时延较大。同时借助于类QinQ技术，将本地学习的报文，添加带VP信息的VLAN TAG后，重定向到对端VAL设备，以便对端设备基于VP的地址同步学习。对报文进行添加VLAN TAG并进行重定向的处理十分简单快速，常用的交换芯片都支持硬件的基于流的添加VLAN TAG和重定向特性，对此可达到线速的同步转发能力。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.跨设备链路聚合的本地转发方法，其特征在于，包括本地转发系统建立阶段和本地转发阶段；

所述本地转发系统建立阶段具体建立过程如下：

S1.建立VP映射表：在配置VAL规则的时候建立，对等的VAL设备上，其映射表相同，表项内容为VP和实际转发端口的对应关系，以及VP和VLAN ID之间的映射，用于将VP封装到VALTAG中传输；

S2.本地学习：主机发送的报文，到达任一VAL设备，先进行本地学习，本地学习仍然采用原有的学习模式，通过物理端口进行学习；

S3.学习报文重定向：本地学习后的报文将进行重定向处理，重定向到INT端口，发送到对端，被重定向的报文仅仅是用于本地学习的报文，包括新学习的和产生地址迁移需要更新转发地址表项的报文，学习报文将被附加上带有VP信息的VAL TAG，重定向到对端VAL设备；

(1)学习报文的重定向处理能够归纳为流处理过程，其对流的匹配规则为：

1)Learning NEW or Learning Moving status flag，即学习或产生地址迁移事件的报文；

2)接收端口，不同的接收 端口属于的VP不同，从而添加的VLAN ID不同；

(2)对于匹配的流，其采取的后续策略为：

1)添加VLAN Tag,VLAN ID根据接收端口而定；

2)重定向到INT Port；

S4.同步地址学习：基于VAL TAG中VLAN ID字段转换而来的VP端口来学习，VLAN ID字段到VP端口的转换通过VP映射表进行关联，同步地址的学习仅仅在VAL INT端口上，针对带VAL TAG的报文进行，其余端口及非VAL TAG的报文将通过传统的地址学习模式，互不干扰，对带VAL TAG的报文学习后需要丢弃，不再进行转发；

所述同步学习完转发表项后，后续到达任一VAL设备的转发报文，将通过本地查表完成转发；

所述本地转发阶段具体分为以下两种转发规则：

A.若查表结果的转发端口为物理端口，直接从该端口进行转发；

B.若查表结果的转发端口为VP端口，将用VP端口在VP映射表中进行二级查找，找到对应的转发物理端口。

2.根据权利要求1所述的跨设备链路聚合的本地转发方法，其特征在于，步骤S1中所述的VP到VLAN ID的映射采用固定映射，形成一一对应关系。

3.根据权利要求1所述的跨设备链路聚合的本地转发方法，其特征在于，步骤S3借助于VAL TAG的VLAN ID字段来封装VP信息，VAL TAG为VLAN TAG，采用保留的TPID值，VLAN ID与VP的互相转换通过VP映射表进行映射。

4.根据权利要求1所述的跨设备链路聚合的本地转发方法，其特征在于，在单链路故障发生时,不需要刷新整个MAC地址转发表，只需要修订对应VP中的转发物理端口。

5.根据权利要求1所述的跨设备链路聚合的本地转发方法，其特征在于，所述本地学习的报文添加带VP信息的VLAN TAG后，重定向到对端VAL设备，对端设备基于VP的地址同步学习。

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