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(shí)如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的技術(shù)。即網(wǎng)絡(luò)的中間級(jí)交換單元與其互連的前后級(jí)交換單元之間可以使用的有效鏈路數(shù)量，等于其前級(jí)交換單元可用的空閑鏈路數(shù)量和后級(jí)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(jí)鏈路數(shù)量信息，重新分配該數(shù)據(jù)傳輸通道上的各級(jí)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

中圖分類號(hào)：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（b）-0007-03

為了解決CLOS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中鏈路不對(duì)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(gè)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(jí)交換架構(gòu)，各級(jí)的每個(gè)交換單元都和下一級(jí)的所有交換單元相連接。典型的3級(jí)CLOS網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，n為入口和出口處每個(gè)交換單元的端口數(shù)，第2級(jí)為m個(gè)r×r的交換單元，每級(jí)與下一級(jí)各個(gè)交換單元之間僅有一條鏈路連接。當(dāng)m≥2n-1時(shí)，該3級(jí)CLOS網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)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(jí)可以是一個(gè)完整的3級(jí)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(shí)現(xiàn)無阻塞交換的前提是要實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，以防止出現(xiàn)同一時(shí)刻入口鏈路大于出口鏈路造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。實(shí)際運(yùn)用中，CLOS網(wǎng)絡(luò)每級(jí)與下一級(jí)各個(gè)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(jì)對(duì)稱的CLOS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證各個(gè)中間級(jí)交換單元到入口和出口處各個(gè)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(huì)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(gè)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）禁用多余鏈路——當(dāng)CLOS網(wǎng)絡(luò)中，某個(gè)中間級(jí)交換單元的某些鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，通過各種機(jī)制禁用掉與該交換單元互聯(lián)的前后級(jí)各個(gè)交換單元的多余鏈路，保證故障交換單元到前后級(jí)各個(gè)交換單元之間的鏈路數(shù)相等。（2）速率動(dòng)態(tài)調(diào)整——當(dāng)CLOS網(wǎng)絡(luò)中，某個(gè)交換單元的某些鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，通過各種機(jī)制動(dòng)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(huì)造成CLOS網(wǎng)絡(luò)鏈路資源上的浪費(fèi)，降低了中間級(jí)交換單元的交換容量，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的交換性能。方案2實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(jí)的所有交換板通過機(jī)箱背板共同構(gòu)成了一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)傳輸路徑，則整個(gè)CLOS網(wǎng)絡(luò)支持r×r個(gè)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(duì)鏈路連接（4條發(fā)送、4條接收），虛線代表鏈路故障。某一時(shí)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(jí)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#4，則該方案的實(shí)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(gè)步驟。

（1）處于第一優(yōu)先級(jí)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(jí)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)}=min{4，2}=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(dòng)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(shí)將選中的鏈路標(biāo)記為“被占用”的狀態(tài)，通告該優(yōu)先級(jí)鏈路分配完成，接著通告第一優(yōu)先級(jí)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(jí)路徑的鏈路分配通告完成后，處于第二優(yōu)先級(jí)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(shí)通告該優(yōu)先級(jí)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(jí)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(shí)處于循環(huán)檢測的傳輸?shù)却小?/p>

（8）假設(shè)第一優(yōu)先級(jí)路徑的數(shù)據(jù)先于第二優(yōu)先級(jí)路徑的數(shù)據(jù)完成傳輸流程，當(dāng)?shù)谝粌?yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸流程通告結(jié)束時(shí)，該路徑會(huì)釋放被占用的所有鏈路，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(huì)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(huì)影響正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)傳輸流程，兩個(gè)流程是獨(dú)立進(jìn)行的，相互之間僅僅互相通告。

（9）本時(shí)刻由于第二優(yōu)先級(jí)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(jí)路徑繼續(xù)保持原先的鏈路分配結(jié)果。與此同時(shí)，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(jí)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(jí)路徑會(huì)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(shí)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(jí)路徑的數(shù)據(jù)先于第三優(yōu)先級(jí)路徑的數(shù)據(jù)完成傳輸流程，當(dāng)?shù)诙?yōu)先級(jí)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(huì)再次進(jìn)行一次鏈路檢測，此時(shí)第三優(yōu)先級(jí)路徑業(yè)務(wù)板#1→業(yè)務(wù)板#4上仍有數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑫r(shí)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(shí)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(gè)階段。

第1階段——業(yè)務(wù)板#1同時(shí)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(shí)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(gè)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1∶1，實(shí)現(xiàn)了鏈路故障時(shí)的負(fù)載均衡，同時(shí)鏈路的利用率可以達(dá)到100%，不會(huì)造成鏈路資源的浪費(fèi)，很好地保證了整個(gè)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(duì)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(gè)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(shí)不同版本交換板的混插兼容性問題，當(dāng)數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的CLOS網(wǎng)絡(luò)發(fā)生鏈路故障時(shí)仍可以正常工作，保證了數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的交換性能和可靠性，為用戶節(jié)約維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] Charles Clos.A Study of Non-Blocking Switching Networks[J].BSTJ，2013，32（5）：406-424.

[2] RG-N18000系列云架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)[Z].