交換機鏈路聚合負載均衡算法原理

初衷：

在2011年初我學習交換機鏈路聚合技術的時候，心中一直有一個疑問：

交換機收到一個報文，到達聚合口的時候，是怎麼選擇成員口出去的呢？

是隨機選的嗎？仍是按成員編號從小到大或從大到小輪循？若是選擇源IP算法，是怎麼實現不一樣源IP就走不一樣的端口的呢？那時網上也找不到介紹，這個疑問，直到2011年末作測試工程師時，才獲得研發兄弟的回答，一直記在內心，總想找個時間發佈到網上，讓更多人知道，原來負載均衡算法實際上是這麼的簡單！

鏈路聚合的主要做用是增長帶寬，增長可靠性，防止二層環路。在這兒，我不討論這技術爲什麼而來與做何而用了，只說說報文到達聚合口時，是怎麼選擇出端口的。

感嘆：

2012年末測試一個交換機項目時，和另外一家公司(是大企業)是競爭關係，我負責測試本公司交換機(中小企業)，名稱就都不說了。

在進行入網測試時，工信部測試人員引入真實流量，分光成兩份，分別進入兩家廠商的交換機，交換機上配置一樣的負載分擔算法（如：都是SIP hash），一樣的聚合組成員數（如：32個）。測試結果是：真實流10G兩分鐘，兩家廠商各成員接口輸出報文如出一轍（判斷出兩家廠商負載均衡算法如出一轍）。由此我才深深感嘆，原來牛逼的廠商用的算法也不過如此而已（之前一直以爲大企業確定很牛逼，事實最後的測試結果報告還不如咱們）。

HASH表介紹：

在交換機內部，每建立一個聚合組時，底層同時建立對應該聚合組的一個hash表，該表存在於交換芯片上，hash表內容以下(簡化)：

左列index爲芯片的硬性支持，如今通常是256,512,1024，更高的未見過。index數量越高，負載分擔越均衡。

這兒以3個成員爲例：

index	interface
0	eth0_0
1	eth0_1
2	eth0_2
3	eth0_0
4	eth0_1
5	eth0_2
.	.
.	.
.	.
1022	eth0_0
1023	eth0_1

HASH表維護：

交換機裏有專門的線程，實時檢測聚合組有效成員，一旦成員狀態發生變化，當即刷新hash表項。

順便談談刷新HASH表這個技術。

工程師up/down成員口，底層就必須實時的刷新成員（這兒比較考驗廠商技術），刷新速度越慢，成員狀態變更時丟包越多。技術最強的如cisco，能夠作到up/down成員口時，不丟包。而我公司最初會丟一秒鐘的包（研發設計思路問題）。後來優化後才達到up/down成員端口，有0.0幾秒的丟包，沒法作到不丟包。

up/down分析：當工程師在命令行up/down聚合組成員時，底層表項會有那麼一丁點兒的響應時間刷新表項，這丁點兒時間，已經down掉的接口還存在hash表裏，而報文是一直都有的，正好被hash到這個無效的出端口的報文都會被丟棄！）

交換機負載均衡轉發原理：

雖然底層有了一張HASH表，那麼究竟是怎麼利用這張表的呢？

1）工程師設定端口成員與HASH算法，如SIP、DIP、SIP+DIP、SIP+DIP+SP+DP等。

2）交換機根據成員生成HASH表，根據算法提取報文中相應內容。

3）使用特定HASH值的計算方法，把提取的內容計算出一個10bits的值。

4）找到底層HASH表項中該值對應的出端口。

5）把報文從這個出端口轉發出去。

HASH值的計算方法：

 xor是異或運算，即兩個值不相同，則異或結果爲真；反之，爲假。不一樣爲1，相同爲0。

1、SIP（源IP）

 1）SIP xor 0 獲得一個32bit的值.

 2）而後做高16bits和低16bits的xor.

 3）再用16bits的15-12bits與11-8bitsxor,將獲得的4bits替換到11-8bits,獲得12bits右移2位獲得10bits的hash值

注：10bits的值必然是0-1023裏的一個數，該index對應的interface是多少，就從該接口轉發出去。（相同的IP必然是相同的hash值）

2、DIP（目的IP）

同SIP

3、SIP+DIP（源IP+目的IP）

1）DIP xor SIP獲得一個32bits的值。

2）而後做高16bits和低16bits的xor。

3）再用16bits的15-12bits與11-8bitsxor,將獲得的4bits替換到11-8bits,獲得12bits右移2位獲得10bits的hash值。

4、SIP+DIP+SP+DP(源地址 + 目的地址 + 源端口 + 目的端口)

1）SIP xor DIP獲得32bit的值value1

2）hashtemp1的低16bits xor SP 獲得32bit的hashtemp2

3）hashtemp2 的低 16bit xor DP 獲得 32bit 的hashtemp3

4）而後做高16bits和低16bits的xor

5）再用16bits的15～12bits和11～8bits xor，將獲得的4bits替換到11～8bits，獲得12bits右移2位獲得10bits的hash值

看完以後，是否發現，原來負載均衡算法是如此的容易！

不少看起來高端的技術，不是作不到，而是想不到。