交换机链路聚合负载均衡算法原理

初衷：

在2011年初我学习交换机链路聚合技术的时候，心中一直有一个疑问：

交换机收到一个报文，到达聚合口的时候，是怎么选择成员口出去的呢？

是随机选的吗？还是按成员编号从小到大或从大到小轮循？如果选择源IP算法，是怎么实现不同源IP就走不同的端口的呢？那时网上也找不到介绍，这个疑问，直到2011年底做测试工程师时，才得到研发兄弟的回答，一直记在心里，总想找个时间发布到网上，让更多人知道，原来负载均衡算法其实是这么的简单！

链路聚合的主要作用是增加带宽，增加可靠性，防止二层环路。在这儿，我不讨论这技术为何而来与作何而用了，只说说报文到达聚合口时，是怎么选择出端口的。

感叹：

2012年底测试一个交换机项目时，和另一家公司(是大企业)是竞争关系，我负责测试本公司交换机(中小企业)，名称就都不说了。

在进行入网测试时，工信部测试人员引入真实流量，分光成两份，分别进入两家厂商的交换机，交换机上配置同样的负载分担算法（如：都是SIP hash），同样的聚合组成员数（如：32个）。测试结果是：真实流10G两分钟，两家厂商各成员接口输出报文一模一样（判断出两家厂商负载均衡算法一模一样）。由此我才深深感叹，原来牛逼的厂商用的算法也不过如此而已（以前一直觉得大企业肯定很牛逼，事实最后的测试结果报告还不如我们）。

HASH表介绍：

在交换机内部，每创建一个聚合组时，底层同时创建对应该聚合组的一个hash表，该表存在于交换芯片上，hash表内容如下(简化)：

左列index为芯片的硬性支持，现在一般是256,512,1024，更高的未见过。index数量越高，负载分担越均衡。

这儿以3个成员为例：

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表维护：

交换机里有专门的线程，实时检测聚合组有效成员，一旦成员状态发生变化，立即刷新hash表项。

顺便谈谈刷新HASH表这个技术。

工程师up/down成员口，底层就必须实时的刷新成员（这儿比较考验厂商技术），刷新速度越慢，成员状态变动时丢包越多。技术最强的如cisco，可以做到up/down成员口时，不丢包。而我公司最初会丢一秒钟的包（研发设计思路问题）。后来优化后才达到up/down成员端口，有0.0几秒的丢包，无法做到不丢包。

up/down分析：当工程师在命令行up/down聚合组成员时，底层表项会有那么一丁点儿的响应时间刷新表项，这丁点儿时间，已经down掉的接口还存在hash表里，而报文是一直都有的，正好被hash到这个无效的出端口的报文都会被丢弃！）

交换机负载均衡转发原理：

虽然底层有了一张HASH表，那么到底是怎么利用这张表的呢？

1）工程师设定端口成员与HASH算法，如SIP、DIP、SIP+DIP、SIP+DIP+SP+DP等。

2）交换机根据成员生成HASH表，根据算法提取报文中相应内容。

3）使用特定HASH值的计算方法，把提取的内容计算出一个10bits的值。

4）找到底层HASH表项中该值对应的出端口。

5）把报文从这个出端口转发出去。

HASH值的计算方法：

xor是异或运算，即两个值不相同，则异或结果为真；反之，为假。不同为1，相同为0。

1、SIP（源IP）

1）SIP xor 0 得到一个32bit的值.

2）然后作高16bits和低16bits的xor.

3）再用16bits的15-12bits与11-8bitsxor,将得到的4bits替换到11-8bits,得到12bits右移2位得到10bits的hash值

注：10bits的值必然是0-1023里的一个数，该index对应的interface是多少，就从该接口转发出去。（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得到一个32bits的值。

2）然后作高16bits和低16bits的xor。

3）再用16bits的15-12bits与11-8bitsxor,得到12bits右移2位得到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得到32bit的值value1

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

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

4）然后作高16bits和低16bits的xor

5）再用16bits的15～12bits和11～8bits xor，将得到的4bits替换到11～8bits，得到12bits右移2位得到10bits的hash值

看完之后，是否发现，原来负载均衡算法是如此的容易！

很多看起来高端的技术，不是做不到，而是想不到。