首頁(yè)
技術(shù)博文
互聯(lián)網(wǎng)
數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等價(jià)多路徑（ECMP）技術(shù)應(yīng)用研究

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等價(jià)多路徑（ECMP）技術(shù)應(yīng)用研究

【ECMP】目前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的Fabric架構(gòu)中會(huì)應(yīng)用大量的ECMP，本文結(jié)合ECMP運(yùn)行原理針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析，并探討如何優(yōu)化ECMP的運(yùn)用。

發(fā)布時(shí)間：2018-09-04
點(diǎn)擊量：
點(diǎn)贊：

分享至

我想評(píng)論

目前數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的Fabric架構(gòu)中會(huì)應(yīng)用大量的ECMP（Equal-Cost Multipath Routing，簡(jiǎn)寫(xiě)ECMP）,其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在可以提高網(wǎng)絡(luò)冗余性和可靠性，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率；大量的ECMP鏈路在特定場(chǎng)景下運(yùn)行過(guò)程中會(huì)引發(fā)其他問(wèn)題。例如，當(dāng)某條ECMP鏈路斷開(kāi)后，ECMP組內(nèi)所有鏈路流量都會(huì)被重新HASH，在有狀態(tài)的服務(wù)器區(qū)域（如LVS）中將導(dǎo)致雪崩現(xiàn)象，又或者會(huì)出現(xiàn)多級(jí)ECMP的HASH極化導(dǎo)致鏈路擁塞等。

本文將結(jié)合ECMP運(yùn)行原理針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析，并探討如何優(yōu)化ECMP的運(yùn)用。

等價(jià)多路徑路由

等價(jià)多路徑路由，即存在多條到達(dá)同一個(gè)目的地址的相等開(kāi)銷的路徑。當(dāng)設(shè)備支持等價(jià)路由時(shí)，發(fā)往該目的IP 或者目的網(wǎng)段的三層轉(zhuǎn)發(fā)流量就可以通過(guò)不同的路徑分擔(dān)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路的負(fù)載均衡，并在鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速切換。

ECMP實(shí)現(xiàn)流程

▲圖例1：ECMP流程圖

• 步驟一：HASH因子的選擇

首先數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)查詢路由表，確認(rèn)存在多個(gè)等價(jià)路由，再根據(jù)當(dāng)前用戶配置的流量均衡算法，提取參與 HASH 計(jì)算的關(guān)鍵字段，即HASH因子。ECMP 流量均衡可選擇的 HASH 因子如下表：

▲圖表1：流量均衡模式對(duì)應(yīng)HASH因子表

注：因ECMP為三層轉(zhuǎn)發(fā)，即使配置基于源MAC、目的MAC或者源目MAC作為HASH因子，系統(tǒng)也會(huì)默認(rèn)選擇源IP作為HASH因子。另外，在選擇提取HASH因子為目的IP時(shí)，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)選擇源目IP作為HASH因子。

• 步驟二：HASH計(jì)算

基于步驟一提取的 HASH 因子，根據(jù) HASH 算法進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)的 HASH lb-key(load-balance key)。 ECMP 流量均衡支持的 HASH 算法包括異或（XOR）、CRC、 CRC+擾碼等。

ASH算法有很多種，我們以XOR算法為例做出說(shuō)明。XOR運(yùn)算法則包括兩個(gè)輸入比特位相同時(shí)為0，不同則為1。HASH因子不同，運(yùn)算結(jié)果也不盡相同。

1、HASH因子為IP address source（SIP）

●SIP XOR 0 ，得出一個(gè)32bit的數(shù)值a；

●將數(shù)值a再進(jìn)行高16bit和低16bit做XOR計(jì)算得出16bit數(shù)值b；

●數(shù)值b的15~12bit與11~8bit再做XOR計(jì)算，得出4bit數(shù)值c；

●數(shù)值c替換數(shù)值b的11~8bit，得出數(shù)值d；

●數(shù)值d截取低位10bit即為lb key。

2、HASH因子為SIP+DIP/DIP

●DIP XOR SIP ，得出一個(gè)32bit的數(shù)值a；

●剩余運(yùn)算步驟與SIP運(yùn)算一致。

3、HASH因子為SIP+DIP+SP+DP

●SIP XOR DIP得到32bit的數(shù)值a；

●數(shù)值a的低16bit XOR SP 得到32bit的數(shù)值b；

●數(shù)值b的低 16bit XOR DP 得到 32bit 的數(shù)值c；

●數(shù)值c的高16bit XOR 低16bit得到16bit的數(shù)值d；

●數(shù)值d的15～12bit XOR 11～8bit，得到4bit的數(shù)值e；

●數(shù)值e替換數(shù)值d的11～8bit，得出數(shù)值f；

●數(shù)值f截取低10bit，即為lb-key

• 步驟三：確認(rèn)轉(zhuǎn)發(fā)下一跳

數(shù)據(jù)報(bào)文經(jīng)過(guò)路由查表后找到對(duì)應(yīng)ECMP 基值（base-ptr）,根據(jù) HASH 因子通過(guò) HASH 算法計(jì)算獲得 HASH lb-key 后，進(jìn)行 ECMP 下一跳鏈路數(shù)（Member-count）求余計(jì)算，再與ECMP基值進(jìn)行加法運(yùn)算得出轉(zhuǎn)發(fā)下一跳index，即確定了下一跳轉(zhuǎn)發(fā)路由。

計(jì)算公式：Next-hop =（lb-key % Member-count）+ base-ptr

上述流程為ECMP常規(guī)轉(zhuǎn)發(fā)流程，但在特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，接下來(lái)繼續(xù)分析數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中ECMP遇到的2個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。

• 問(wèn)題一單鏈路故障導(dǎo)致ECMP組所有數(shù)據(jù)流被重新HASH計(jì)算

當(dāng)Leaf交換機(jī)發(fā)送6條數(shù)據(jù)流到LVS服務(wù)器，Leaf先進(jìn)行HASH運(yùn)算負(fù)載均衡到每一臺(tái)LVS服務(wù)器上，正常流量轉(zhuǎn)發(fā)如圖例2所示：

▲圖例2：ECMP轉(zhuǎn)發(fā)圖

當(dāng)某臺(tái)LVS服務(wù)器網(wǎng)卡出現(xiàn)故障或者鏈路出現(xiàn)故障，Leaf交換機(jī)會(huì)將ECMP組內(nèi)數(shù)據(jù)流將重新HASH計(jì)算，再進(jìn)行負(fù)載均衡到剩余有效鏈路上，進(jìn)而導(dǎo)致TCP會(huì)話斷開(kāi)，發(fā)生雪崩現(xiàn)象，例如一些支付類業(yè)務(wù)，同一個(gè)用戶的一次支付過(guò)程會(huì)調(diào)用多個(gè)業(yè)務(wù)服務(wù)，業(yè)務(wù)側(cè)要求一次支付的過(guò)程都落在同一個(gè)處理服務(wù)器上，當(dāng)出現(xiàn)單條鏈路故障后不僅影響該鏈路所在LVS承載的用戶，同時(shí)還影響該ECMP組下其他LVS承載的用戶，如圖例3所示：

▲圖例3：故障后ECMP轉(zhuǎn)發(fā)圖

1、優(yōu)化方案：

為避免單臺(tái)LVS服務(wù)器故障或者單鏈路故障導(dǎo)致整個(gè)ECMP組內(nèi)流量全部被重新HASH，ECMP可采用彈性HASH算法來(lái)優(yōu)化。采用彈性HASH算法后，僅將故障鏈路的流量重新HASH到其他活躍鏈路上，而非故障鏈路上的數(shù)據(jù)流則無(wú)需改變下一跳。實(shí)現(xiàn)效果如圖例4所示：

▲圖例4：ECMP彈性HASH算法

彈性HASH具體實(shí)現(xiàn)原理：

▲圖例5：彈性HASH流程

在交換機(jī)上生成一張索引表（RH Flow Set Table），用于存放相關(guān)索引值對(duì)應(yīng)下一跳路由地址。數(shù)據(jù)報(bào)文經(jīng)過(guò)路由查表后找到對(duì)應(yīng)ECMP 基值，提取HASH因子進(jìn)行HASH運(yùn)算，在HASH Key與ECMP數(shù)量取余數(shù)時(shí)無(wú)論是否出現(xiàn)故障鏈路，均以最初數(shù)量進(jìn)行取余運(yùn)算，因此運(yùn)算結(jié)果一致，非故障鏈路數(shù)據(jù)依然按照原有鏈路轉(zhuǎn)發(fā)。如下圖中，鏈路3故障后軟件CPU將及時(shí)更新RH flow table，將失效鏈路用正常鏈路均勻替換。

▲圖例6：彈性HASH索引表替換示意圖

• 問(wèn)題二 HASH極化問(wèn)題

如圖例7所示，在Leaf設(shè)備和Spine設(shè)備均采用上聯(lián)鏈路數(shù)為偶數(shù)且ECMP算法及HASH因子一致的情況下，數(shù)據(jù)流在Leaf設(shè)備上經(jīng)過(guò)一次HASH計(jì)算，將數(shù)據(jù)流負(fù)載分擔(dān)到兩臺(tái)Spine上，均衡后效果為數(shù)據(jù)流1、2、3轉(zhuǎn)發(fā)至Spine-1，數(shù)據(jù)流4、5、6轉(zhuǎn)發(fā)至Spine-2，Spine再進(jìn)行HASH計(jì)算負(fù)載分擔(dān)到兩臺(tái)DCI核心上，因在Spine層采用的HASH算法與Leaf的HASH算法一致，最終Spine-1的數(shù)據(jù)流1、2、3均轉(zhuǎn)發(fā)至DCI-1上，未負(fù)載分擔(dān)到DCI-2上任何數(shù)據(jù)流，而Spine-2的數(shù)據(jù)流4、5、6均轉(zhuǎn)發(fā)至DCI-2上，未負(fù)載分擔(dān)到DCI-1上任何數(shù)據(jù)流，同理Leaf-2發(fā)送的數(shù)據(jù)流也是如此，進(jìn)而產(chǎn)生HASH極化問(wèn)題，導(dǎo)致SPINE和DCI之間鏈路有一條空閑，極大的浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源，甚至?xí)?dǎo)致流量擁塞。

▲圖例7：HASH極化

1、優(yōu)化方案：

• 同廠商Leaf設(shè)備和Spine設(shè)備均采用相同上聯(lián)鏈路數(shù)場(chǎng)景下，應(yīng)避免在相鄰的兩臺(tái)設(shè)備上使用相同的負(fù)載均衡算法；

• 設(shè)備在運(yùn)行HASH計(jì)算時(shí)，除傳統(tǒng)的五元組外，可以增添擾動(dòng)因子，避免HASH計(jì)算結(jié)果相同。

HASH擾動(dòng)的計(jì)算過(guò)程中HASH因子仍然正常提取，再增加用戶自定義隨機(jī)擾動(dòng)因子，經(jīng)過(guò)HASH算法運(yùn)算時(shí)，不同交換機(jī)HASH計(jì)算結(jié)果就將不一致，以達(dá)到避免HASH極化現(xiàn)象的出現(xiàn)。

▲圖例8：HASH擾動(dòng)計(jì)算過(guò)程

動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，突發(fā)流量多，并且存在大象流和老鼠流并存現(xiàn)象，本文所描述的基于數(shù)據(jù)流五元組的HASH算法，并結(jié)合HASH擾動(dòng)因子技術(shù)實(shí)現(xiàn)流量負(fù)載均衡，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)大象流和老鼠流并存的網(wǎng)絡(luò)中多鏈路之間的流量負(fù)載均衡。

銳捷網(wǎng)絡(luò)新一代25G數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)解決方案中所采用的芯片，已能夠支持DLB（Dynamic load balance，動(dòng)態(tài)鏈路負(fù)載）特性，可基于流量負(fù)載狀態(tài)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的HASH負(fù)載均衡。具體實(shí)現(xiàn)方法是交換機(jī)為每條進(jìn)行負(fù)載均衡的數(shù)據(jù)流創(chuàng)建一個(gè)流表，基于流表記錄流量統(tǒng)計(jì)信息，根據(jù)流量統(tǒng)計(jì)信息動(dòng)態(tài)調(diào)整鏈路負(fù)載均衡。

本期作者：王磊

銳捷網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部行業(yè)咨詢