基于负载均衡的常用网络技术应用研究

摘 要：负载均衡是一个满足用户良好体验的网络设计与实施的重要需求。通过对常用的网络技术的梳理与综述，提炼出对负载均衡起到重要支撑作用的常用网络技术。再通过一个中小型网络典型案例分析，更进一步认识到这些网络技术对负载均衡的重要性，以及在网络工程实践中得以正确应用。

关键词：负载均衡;MSTP;VRRP;路由协议;策略路由;

0 引言

随着互联网应用的日益普及与发展，各行业网络建设也进入到快速发展升级阶段，以满足网络需求日益增长的需求。但无论如何发展，负载均衡一直是网络基础架构建设与优化，不可回避的现实问题。如何正确认识与处理好这些问题，是值得研究与总结的。

1 常用的网络技术

常用的网络技术主要集中在二层、三层技术，如虚拟局域网（VLAN）、生成树（STP）、链路聚合（link aggregation）、虚拟路由冗余协议（VRRP）、路由协议、策略路由、VPN技术等。下面，介绍下对负载均衡有关键作用的常用网络技术。

1、多生成树协议（MSTP）

MSTP把一个交换网络划分成多个域，每个域内形成多棵生成树，生成树之间彼此独立。每棵生成树叫做一个多生成树实例MSTI，每个域叫做一个MST域。生成树实例就是多个VLAN的一个集合。通过将多个VLAN捆绑到一个实例，可以节省通信开销和资源占用率。MSTP各个实例拓扑的计算相互独立，在这些实例上可以实现负载均衡。以太网中部署MSTP协议后可实现如下功能：

（1）生成多棵无环路的树，解决广播风暴并实现冗余备份。

（2）生成树在VLAN间实现负载均衡，不同VLAN的流量按照不同的路径转发。

2、链路聚合（link aggregation）

链路聚合是指将多个物理端口捆绑在一起，成为一个逻辑端口，以实现出/入流量吞吐量在各成员端口中的负荷分担，交换机根据用户配置的端口负荷分担策略决定报文从哪一个成员端口发送到对端的交换机。当交换机检测到其中一个成员端口的链路发生故障时，就停止在此端口上发送报文，并根据负荷分担策略在剩下链路中重新计算报文发送的端口，故障端口恢复后再次重新计算报文发送端口。链路聚合在增加链路带宽、实现链路传输弹性和工程冗余等方面是一项很重要的技术。

3、虚拟路由冗余协议（VRRP）

VRRP是一种路由容错协议，解决局域网中配置静态网关出现单点失效现象的路由协议。

VRRP可以起到冗余网关的作用。VRRP解决的问题就是，通过VRRP技术协商，虚拟一个IP地址出来（VRRP可能直接使用接口定义的了地址的），这样所有的PC只需要定义VRRP定义的那个IP地址作为网关即可，当主设备故障出现故障后，会自动切换到备用上面，从而对客户来说是透明的。

VRRP还起到负载分担的作用。所以，我们在做规划时，把VLAN的网关平均分配到VRRP主备组中，这样实现负载分担，达到资源利用。

4、策略路由

策略路由，是一种比基于目标网络进行路由更加灵活的数据包路由转发机制。路由器将通过路由图决定如何对需要路由的数据包进行处理，路由图决定了一个数据包的下一跳转发路由器。

应用策略路由，必须要指定策略路由使用的路由图，并且要创建路由图。一个路由图由很多条策略组成，每个策略都定义了1 个或多个的匹配规则和对应操作。一个接口应用策略路由后，将对该接口接收到的所有包进行检查，不符合路由图任何策略的数据包将按照通常的路由转发进行处理，符合路由图中某个策略的数据包就按照该策略中定义的操作进行处理。

策略路由可以实现负载平衡。使用策略路由可以设置数据包的行为，比如下一跳、下一接口等，这样在存在多条链路的情况下，可以根据数据包的应用不同而使用不同的链路，进而提供高效的负载平衡能力。

2 负载均衡的网络技术典型应用

2.1  典型网络架构设计

典型负载均衡应用的网络架构遵循接入、汇聚、核心三层架构设计，核心层、汇聚层交换机之间都采用链路聚合实现互联带宽提升，两层之间设备实现全连接。匯聚层上配置VRRP实现网关冗余。两台出口路由器分别与不同ISP相连。数据中心的服务器通过数据中心交换机与核心交换机相连。

典型网络架构设计示意图如图1所示。

2.2  典型应用与分析

1、MSTP与VRRP协同

1）.生成树协议MSTP不仅能使交换机的环路消除，阻止广播风暴;还能将不同VLAN分配到不同实例中，起到流量分担的作用。

2）VRRP给我们带来了极大的方便，物理网关设备坏掉了，还能继续使用电脑上网，因为我们配置的是虚拟网关，备份的网关设备不会让我们断网，用户不需要手动切换网关。

但是二者如果同时存在，规划与配置网络的时候，管理员应该注意：必须配置MSTP实例，并且把MSTP的VlAN主根和VRRP的MASTER放在同一设备上，否则会让主机找网关的时候可能走得不是最佳路径，丢包和延迟的风险都会增加。

2、多出口情景下策略路由应用

企业网络中使用策略路由结合ACL技术，实现双出口的网络的路由选择，提高网络带宽，达到负载均衡和网络备份的效果。在出口路由器上规划与配置策略路由流程及内容为：

1）定义重分布路由图，一个路由图可以由好多策略组成，策略按序号大小排列，只要符合了前面策略，就退出路由图的执行;

2）定义路由图每个策略的匹配规则或条件;

定义匹配规则，只有符合规则的数据包才进行策略路由，如果没有配置匹配规则，则所有数据包都符合规则。

3）定义满足匹配规则后，路由器对符合规则的数据包进行IP优先值和下一跳的设置。

IP数据包报头优先值的设置，网络流量大时，优先值高的流量可以得到优先处理。在应用策略路由时，可以对IP报头的优先值进行设置。当这些携带一定优先值的数据包到达其它路由器时，如果该路由器启用了队列机制，优先值高的数据包会得到优先处理，其服务质量就得到了保证。如果没有启用队列机制，优先值将没有任何意义，所有数据包的发送按照FIFO（先进先出）的方式进行处理。

4）在指定接口中应用路由图。

3  结语

通过对影响负载均衡的常用网络技术的总结与典型应用分析，充分认识到正确理解技术与科学合理使用相关技术，并协同一致为基础网络架构做好负载均衡支撑作用的重要性。随着网络新技术的发展，如虚拟化、SDN技术的出现，也一定会为新时代网络负载均衡提供新思路、新方法。

参考文献：

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[2] 陈康 等. 网络工程案例教程[M]. 北京： 机械工业出版社， 2019.

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[5] 韩菊莲.策略路由在企业网络中的应用[J].中国新通信，2020

基金项目：云计算平台的安全防护研  省教育厅项目（X14107001002）

作者简介：刘伟（1970年9月—），性别（男），福建福州，副教授，主要研究方向为计算机网络技术。