一種CLOS網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡技術(shù)

1、    一種clos網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡技術(shù)    唐鴻凱摘 要：該文介紹了一種clos網(wǎng)絡(luò)的鏈路分配方法，涉及clos網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)硬件鏈路不均衡時如何實現(xiàn)負(fù)載均衡的技術(shù)。即網(wǎng)絡(luò)的中間級交換單元與其互連的前后級交換單元之間可以使用的有效鏈路數(shù)量，等于其前級交換單元可用的空閑鏈路數(shù)量和后級交換單元可用的空閑鏈路數(shù)量之間的最小值。只要檢測到有鏈路釋放占用狀態(tài)，就刷新該交換單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸需要的各級鏈路數(shù)量信息，重新分配該數(shù)據(jù)傳輸通道上的各級交換單元的鏈路數(shù)量。關(guān)鍵詞：clos網(wǎng)絡(luò) 均衡 數(shù)據(jù)中心：tn927 ：a ：1672-3791（2017）03（b）-0007-

2、03為了解決clos網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中鏈路不對等造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，該文介紹了一種clos網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡技術(shù)，既保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路匹配，又避免了負(fù)載均衡過程中的鏈路資源浪費(fèi)，極大地保證了clos網(wǎng)絡(luò)的整體交換性能，提高了整個clos網(wǎng)絡(luò)的可靠性。1 技術(shù)背景clos架構(gòu)1是一種多級交換架構(gòu)，各級的每個交換單元都和下一級的所有交換單元相連接。典型的3級clos網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，n為入口和出口處每個交換單元的端口數(shù)，第2級為m個r×r的交換單元，每級與下一級各個交換單元之間僅有一條鏈路連接。當(dāng)m2n-1時，該3級clos網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)嚴(yán)格無阻塞的數(shù)據(jù)交換。clos網(wǎng)絡(luò)支持遞歸擴(kuò)展，中間級可

3、以是一個完整的3級clos網(wǎng)絡(luò)，理論上可以無限擴(kuò)展，構(gòu)建具有更高容量的交換網(wǎng)絡(luò)，為極大的數(shù)據(jù)流交換建立嚴(yán)格的無阻塞連接。clos網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無阻塞交換的前提是要實現(xiàn)負(fù)載均衡，以防止出現(xiàn)同一時刻入口鏈路大于出口鏈路造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。實際運(yùn)用中，clos網(wǎng)絡(luò)每級與下一級各個交換單元之間可以允許有多條鏈路連接，硬件上一般都通過設(shè)計對稱的clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證各個中間級交換單元到入口和出口處各個交換單元之間的互聯(lián)鏈路數(shù)相等。clos網(wǎng)絡(luò)工作過程中不可避免地會出現(xiàn)鏈路故障，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此，必須引入負(fù)載均衡技術(shù)，保證整個clos網(wǎng)絡(luò)的無阻塞交換。目前應(yīng)用于clos網(wǎng)絡(luò)，主要的負(fù)載均衡技術(shù)如下。（1）禁用多余

4、鏈路當(dāng)clos網(wǎng)絡(luò)中，某個中間級交換單元的某些鏈路出現(xiàn)故障時，通過各種機(jī)制禁用掉與該交換單元互聯(lián)的前后級各個交換單元的多余鏈路，保證故障交換單元到前后級各個交換單元之間的鏈路數(shù)相等。（2）速率動態(tài)調(diào)整當(dāng)clos網(wǎng)絡(luò)中，某個交換單元的某些鏈路出現(xiàn)故障時，通過各種機(jī)制動態(tài)調(diào)整該故障交換單元的數(shù)據(jù)輸入和輸出速率，輸入速率×輸入鏈路輸出速率×輸出鏈路，防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。方案1會造成clos網(wǎng)絡(luò)鏈路資源上的浪費(fèi)，降低了中間級交換單元的交換容量，影響整個網(wǎng)絡(luò)的交換性能。方案2實現(xiàn)機(jī)制比較復(fù)雜，需要消耗較多的軟件資源用來調(diào)整鏈路的傳輸速率。2 實現(xiàn)方式clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心交換機(jī)中廣

5、泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心交換機(jī)主要包括管理板、業(yè)務(wù)板（接口板）、交換板3個部分，其中業(yè)務(wù)板和交換板通過機(jī)箱背板互連構(gòu)成了一個clos網(wǎng)絡(luò)。一種常見的數(shù)據(jù)中心交換機(jī)業(yè)務(wù)板和交換板形成的clos網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，處于中間級的所有交換板通過機(jī)箱背板共同構(gòu)成了一個交換平面，假設(shè)該數(shù)據(jù)中心交換機(jī)支持r張業(yè)務(wù)板，每張業(yè)務(wù)板的入口到全部業(yè)務(wù)板的出口有r個數(shù)據(jù)傳輸路徑，則整個clos網(wǎng)絡(luò)支持r×r個數(shù)據(jù)傳輸路徑。圖2中，每張業(yè)務(wù)板和交換平面之間通過4對鏈路連接（4條發(fā)送、4條接收），虛線代表鏈路故障。某一時刻業(yè)務(wù)板#1的入口處收到一條數(shù)據(jù)流，按照優(yōu)先級的先后順序分別需要傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)板#2、業(yè)務(wù)板#3、業(yè)務(wù)板#

6、4，則該方案的實現(xiàn)流程如圖3所示，該數(shù)據(jù)流的傳輸可以分為以下幾個步驟。（1）處于第一優(yōu)先級路徑的業(yè)務(wù)板#1業(yè)務(wù)板#2，檢測到該路徑上有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需求。（2）判斷業(yè)務(wù)板#1的入口和業(yè)務(wù)板#2的出口側(cè)是否存在空閑的鏈路，根據(jù)圖2所示，業(yè)務(wù)板#2的出口側(cè)有2條可用空閑鏈路，2條故障鏈路，業(yè)務(wù)卡#1的入口側(cè)有4條可用空閑鏈路（假定該數(shù)據(jù)中心交換機(jī)此前處于空閑狀態(tài)），如果通路上面沒有空閑鏈路就返回重新檢測。（3）分配第一優(yōu)先級路徑的鏈路數(shù)，該路徑上可以使用的鏈路數(shù)=min業(yè)務(wù)卡#1入口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)，業(yè)務(wù)卡#2出口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)=min4，2=2，業(yè)務(wù)卡#1入口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)和業(yè)務(wù)卡#2出口

7、側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)的最小值為2，即由業(yè)務(wù)板#1發(fā)往業(yè)務(wù)板#2可使用的鏈路數(shù)為入口側(cè)和出口側(cè)各2條。（4）clos網(wǎng)絡(luò)一般是采用動態(tài)路由機(jī)制，從業(yè)務(wù)卡#1的入口側(cè)和業(yè)務(wù)卡#2入口側(cè)各選擇2條鏈路，同時將選中的鏈路標(biāo)記為“被占用”的狀態(tài)，通告該優(yōu)先級鏈路分配完成，接著通告第一優(yōu)先級路徑上被選中的鏈路開啟數(shù)據(jù)傳輸流程，通過被占用的所有鏈路往業(yè)務(wù)卡#2的出口側(cè)傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸流程是原系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)傳輸流程，是另外進(jìn)行的獨(dú)立流程，和該方案通過相互之間的通告建立聯(lián)系，兩者互不影響。（5）當(dāng)?shù)谝粌?yōu)先級路徑的鏈路分配通告完成后，處于第二優(yōu)先級路徑的業(yè)務(wù)板#1業(yè)務(wù)板#3，開始執(zhí)行該路徑上的鏈路分配。（6）通過

8、確認(rèn)，業(yè)務(wù)板#3的出口側(cè)有2條可用空閑鏈路，2條故障鏈路，業(yè)務(wù)卡#1的入口側(cè)有2條可用空閑鏈路，2條鏈路被占用。因此，該路徑上可以使用的鏈路數(shù)=min業(yè)務(wù)卡#1入口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)，業(yè)務(wù)卡#3出口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)=2，將入口側(cè)和出口側(cè)選中的各2條鏈路全部標(biāo)記為“被占用”的狀態(tài)，同時通告該優(yōu)先級鏈路分配完成，通告業(yè)務(wù)板#1業(yè)務(wù)板#3之間被選中的鏈路開啟數(shù)據(jù)傳輸流程。（7）處于第三優(yōu)先級路徑上的數(shù)據(jù)，由于業(yè)務(wù)板#1的入口側(cè)沒有空閑鏈路，暫時處于循環(huán)檢測的傳輸?shù)却?。?）假設(shè)第一優(yōu)先級路徑的數(shù)據(jù)先于第二優(yōu)先級路徑的數(shù)據(jù)完成傳輸流程，當(dāng)?shù)谝粌?yōu)先級的數(shù)據(jù)傳輸流程通告結(jié)束時，該路徑會釋放被占用的所有

9、鏈路，入口側(cè)和出口側(cè)的鏈路重新被標(biāo)記為“空閑”狀態(tài)。此刻，會觸發(fā)所有相關(guān)路徑重新執(zhí)行鏈路分配檢測，各路徑重新確認(rèn)本路徑上的鏈路分配是否需要進(jìn)行調(diào)整。該方案的鏈路分配流程不會影響正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)傳輸流程，兩個流程是獨(dú)立進(jìn)行的，相互之間僅僅互相通告。 （9）本時刻由于第二優(yōu)先級路徑的數(shù)據(jù)傳輸流程仍未結(jié)束，第二路徑的空閑鏈路數(shù)量沒有增加，因此第二優(yōu)先級路徑繼續(xù)保持原先的鏈路分配結(jié)果。與此同時，業(yè)務(wù)卡#1的入口側(cè)釋放2條可用的空閑鏈路，2條鏈路繼續(xù)被占用，而業(yè)務(wù)板#4的出口側(cè)有4條可用空閑鏈路。進(jìn)而執(zhí)行第三優(yōu)先級路徑業(yè)務(wù)板#1業(yè)務(wù)板#4的鏈路分配，該路徑上可以使用的鏈路數(shù)=min業(yè)務(wù)卡#1入口側(cè)可用的空

10、閑鏈路數(shù)，業(yè)務(wù)卡#4出口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)=2。（10）同樣的，第三優(yōu)先級路徑會將業(yè)務(wù)板#1入口側(cè)剩余的2條鏈路和業(yè)務(wù)板#4出口側(cè)的2條鏈路標(biāo)記為“被占用”，同時通告選中鏈路開啟數(shù)據(jù)傳輸流程，該階段業(yè)務(wù)板#4的出口側(cè)只啟用2條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（11）假設(shè)第二優(yōu)先級路徑的數(shù)據(jù)先于第三優(yōu)先級路徑的數(shù)據(jù)完成傳輸流程，當(dāng)?shù)诙?yōu)先級路徑業(yè)務(wù)板#1業(yè)務(wù)板#3占用的鏈路被標(biāo)記為“空閑”狀態(tài)后。所有的相關(guān)路徑又會再次進(jìn)行一次鏈路檢測，此時第三優(yōu)先級路徑業(yè)務(wù)板#1業(yè)務(wù)板#4上仍有數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，同時檢測到業(yè)務(wù)板#1的入口側(cè)和業(yè)務(wù)板#4的出口側(cè)均存在2條空閑鏈路，進(jìn)而再執(zhí)行一次鏈路分配，該路徑上還可以使用的鏈路

11、數(shù)=min業(yè)務(wù)卡#1入口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)，業(yè)務(wù)卡#4出口側(cè)可用的空閑鏈路數(shù)=2。因此，該路徑上業(yè)務(wù)板#1入口側(cè)和業(yè)務(wù)板#4出口側(cè)各剩余的2條鏈路全部標(biāo)記為“被占用”，同時通告選中鏈路開啟數(shù)據(jù)傳輸流程，即此刻業(yè)務(wù)板#1業(yè)務(wù)板#4的路徑上入口側(cè)和出口側(cè)均開啟了4條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸流程，直至業(yè)務(wù)板#1的數(shù)據(jù)流全部完成傳輸結(jié)束。綜上所述，可以將上述的鏈路使用情況成以下3個階段。第1階段業(yè)務(wù)板#1同時向業(yè)務(wù)板#2和業(yè)務(wù)板#3傳輸數(shù)據(jù)，該階段業(yè)務(wù)板#1的入口側(cè)啟用4條鏈路，業(yè)務(wù)板#2和業(yè)務(wù)板#3出口側(cè)非故障的2條鏈路也全部啟用。第2階段業(yè)務(wù)板#1同時向業(yè)務(wù)板#3和業(yè)務(wù)板#4傳輸數(shù)據(jù)，該階段業(yè)務(wù)板#1的入口

12、側(cè)啟用4條鏈路，業(yè)務(wù)板#2的出口側(cè)非故障的2條鏈路也全部啟用，業(yè)務(wù)板#4的出口側(cè)啟用2條鏈路。第3階段業(yè)務(wù)板#1單獨(dú)向業(yè)務(wù)板#4傳輸數(shù)據(jù)，該階段業(yè)務(wù)板#1的入口側(cè)啟用4條鏈路，業(yè)務(wù)板#4的出口側(cè)也啟用4條鏈路。上述3個階段所有路徑上業(yè)務(wù)板入口側(cè)和出口側(cè)啟用的鏈路比始終保持11，實現(xiàn)了鏈路故障時的負(fù)載均衡，同時鏈路的利用率可以達(dá)到100%，不會造成鏈路資源的浪費(fèi)，很好地保證了整個clos網(wǎng)絡(luò)的交換性能，提高了數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的可靠性。3 結(jié)語該方案很好地解決了clos網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡問題，在非對稱的clos網(wǎng)絡(luò)中也能夠應(yīng)用，有效鏈路的利用率可以達(dá)到100%，保證了整個clos網(wǎng)絡(luò)的交換性能。另外，該方案也可以很好地解決使用clos架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心交換機(jī)時不同版本交換板的混插