CN117857551A - 一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统，涉及云计算领域。该跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，负载均衡器对正向流量执行目的地址转换，若该流为新建流，构造一个特殊的信令IP包，发往后端服务，后端流量拦截器会拦截特殊的信令IP包，然后根据数据包中的信息构建此流的连接状态项条目，拦截器拦截后端服务出方向流量，若存在有效连接状态项，则执行执行目的地址转换反向动作，随后将数据包直接返回客户端。该跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统，具有性能强、部署灵活和用户友好的优点。

Description

一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统

技术领域

本发明涉及云计算技术领域，具体为一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统。

背景技术

随着云计算的迅猛发展，网络数据访问流量迅速增长；大型企业、数据中心普遍采用负载均衡器满足其带宽高、稳定性强的网络需求；

常见的四层负载均衡器，按照其流量的走向可以被分为直接回复类型、转发回复类型；其中，直接回复类型是指反向流量不经过负载均衡器直接由后端服务器回复客户端，而转发回复类型指反向流量需要重新回到负载均衡器，然后由负载均衡器转发回复客户端；显而易见，转发回复类型的负载均衡器由于需要同时处理正向和反向流量，所以性能上弱与直接回复类型的负载均衡器，尤其在一些反向流量大于正向流量的业务场景下(如：文件下载)性能差距更为明显。

目前，常见的直接回复负载均衡器实现方法有DR和DSR两种方法；其中DR方式，负载均衡通过修改目的的MAC地址为后端服务器的MAC地址实现转发；这要求负载均衡器和后端服务部署在同一个二层子网，这在多子网的VPC中多有不便，同时还要求后端服务把虚拟IP地址配置在自身的网口之上；DSR方式一般通过IPIP等封装方式将原始数据包进行封装，然后经过三层路由转发到后端服务后进行解封装，然后将内部的数据包交由内核处理；这种方式，只要求负载均衡器与后端服务三层可达，但是需要在后端服务中配置解封包接口，同时也要求将虚拟IP地址配置到对应网口之上；以上两种方式都要求用户在后端服务上进行一定的配置或者要求负载器同后端服务在一个子网内。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统，提出一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统，解决现有直接回复类型负载器都要求用户在后端服务上进行一定的配置(有侵入性，用户配置不对，负载均衡无法工作)或者要求负载器同后端服务在一个子网内的问题，提出的方案有直接回复带来的高性能，同时在用户使用上也更为友好。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，包括的执行单元为负载均衡器和后端流量拦截器，包含以下步骤；

步骤一、所述负载均衡器上对正向流量执行目的地址转换，地址转换的目的地址为根据算法选中的后端服务地址，随后数据包通过三层转发至后端服务；

步骤二、所述负载均衡器对正向流量进行判断，当所述正向流量判断为新建流，所述负载均衡器会构造一个特殊的信令IP包，并将该信令IP包发往后端服务；所述信令IP包中包含了流量的五元组，所述五元组包括协议、源地址、目的地址、源端口和目的端口，所述信令IP还包括执行地址转换反向动作所需的源地址及源端口；

步骤三、所述后端流量拦截器用于拦截特殊的信令IP包，所述后端流量拦截器根据数据包中的信息构建此流的连接状态项条目；所述后端流量拦截器拦截后端服务出方向流量，根据出方向流量数据包的五元组，查询是否具有对应的连接状态项；

步骤四、所述后端流量拦截器对连接状态项进行分析，当存在有效连接状态项，则执行地址转换反向动作，随后将数据包直接返回客户端。

优选的，所述后端流量拦截器拦截修改并重定向后端服务的进出网络流量，所述后端流量拦截器部署于后端服务网络接口上，表现为网卡驱动和eBPF程序，后端服务对此无感知。

优选的，所述后端流量拦截器会拦截特殊的信令IP包，然后根据数据包中的信息构建此流的连接状态项条目，其具体过程为：从IP包中提取流的五元组信息及执行目的地址转换的反向过程所需的源地址及源端口，分别以正向流五元组和反向流五元组为索引建立连接状态项，该过程通过反转其端口及地址实现。

优选的，所述后端流量拦截器拦截后端服务出方向流量，根据出方向流量数据包的五元组，查询是否具有对应的连接状态项，若存在有效连接状态项，则执行数据包修改操作，所述数据包修改操作即为目的地址转换的反向动作。

优选的，所述数据包修改具体为修改数据包的源地址及源端口为状态项中保存的源地址及源端口，然后设置合适的MAC地址，随后将数据包重定向到合适的网卡发出，返回客户端，若不存在有效状态项，则放行数据包，数据包按照正常路径流转。

优选的，所述连接状态项具有老化时间，所述后端流量拦截器收到同一条流的数据包后，使用五元组索引到连接状态项，更新状态项老化时间，当老化时间抵达时，所述连接状态项失效。

优选的，所述后端流量拦截器在检测到流量中包含终止标记，包括TCP的RST和FIN标记的数据包时，使用五元组索引到连接状态项，所述后端流量拦截器通过更新使连接状态项失效。

优选的，所述负载均衡器在收到反向流的数据包时会重发信令IP包，避免出现由于信令数据包的丢失导致拦截器未正常建立连接状态项的情形。

优选的，跨子网直接回复的四层负载均衡器方法的实现系统，包括以下功能模块；

一、功能镶嵌框架，所述功能镶嵌框架用于镶嵌负载均衡器和后端流量拦截器，为负载均衡器和后端流量拦截器的运行提供良好的环境，确保其在数据流通和数据处理过程能够得到完整的技术支持；

二、数据传输通道，所述数据传输通道采用并行传输方式，为负载均衡器和后端流量拦截器的数据流通搭建大流量、高速和高响应速度的数据传输环境；

三、硬件控制单元，所述硬件控制单元用于后端流量拦截器部署于后端服务网络接口上，表现为网卡驱动和eBPF程序，通过对后台硬件进行系统控制，确保后端流量拦截器能够即时响应；

四、数据监控单元，所述数据监控单元采用列表式数据管理，对数据上下行、数据反馈，标记内容、数据包拓展项以及已生成的连接状态项进行实时监管；

五、数据库，所述数据库用于对负载均衡器所执行的目的地址转换对象和后端流量拦截器所拦截特殊的信令IP包内容进行非获取性存储，只进行命名标记存储，不读取内容，采用树状排列方式进行存储；

六、系统日志，所述系统日志对负载均衡器和后端流量拦截器的动作进行捕捉记录，生成相应的系统日志，系统日志存储于数据库中。

本发明公开了一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统，其具备的有益效果如下：

1、性能强：反向流量直接回复，性能更优；

2、部署灵活：部署上，负载均衡器与后端服务只要求三层可达，更加适合VPC场景；

3、用户友好：后端服务无需做任何配置，无需配置VIP、无需配置tunnel口、无需静默ARP响应，对用户更加友好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明数据流向导视图；

图2为本发明负载均衡器逻辑流程图；

图3为本发明拦截器程序逻辑图；

图4为本发明实现系统图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统，提出一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统，解决现有直接回复类型负载器都要求用户在后端服务上进行一定的配置(有侵入性，用户配置不对，负载均衡无法工作)或者要求负载器同后端服务在一个子网内的问题，提出的方案有直接回复带来的高性能，同时在用户使用上也更为友好。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例公开一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法及实现系统。

根据附图1-4所示，包括的执行单元为负载均衡器和后端流量拦截器，包含以下步骤；

步骤一、负载均衡器上对正向流量执行目的地址转换，地址转换的目的地址为根据算法选中的后端服务地址，随后数据包通过三层转发至后端服务；

步骤二、负载均衡器对正向流量进行判断，当正向流量判断为新建流，负载均衡器会构造一个特殊的信令IP包，并将该信令IP包发往后端服务；信令IP包中包含了流量的五元组，五元组包括协议、源地址、目的地址、源端口和目的端口，信令IP还包括执行地址转换反向动作所需的源地址及源端口；

步骤三、后端流量拦截器用于拦截特殊的信令IP包，后端流量拦截器根据数据包中的信息构建此流的连接状态项条目；后端流量拦截器拦截后端服务出方向流量，根据出方向流量数据包的五元组，查询是否具有对应的连接状态项；

步骤四、后端流量拦截器对连接状态项进行分析，当存在有效连接状态项，则执行地址转换反向动作，随后将数据包直接返回客户端。

优选的，后端流量拦截器拦截修改并重定向后端服务的进出网络流量，后端流量拦截器部署于后端服务网络接口上，表现为网卡驱动和eBPF程序，后端服务对此无感知。

优选的，后端流量拦截器会拦截特殊的信令IP包，然后根据数据包中的信息构建此流的连接状态项条目，其具体过程为：从IP包中提取流的五元组信息及执行目的地址转换的反向过程所需的源地址及源端口，分别以正向流五元组和反向流五元组为索引建立连接状态项，该过程通过反转其端口及地址实现。

优选的，后端流量拦截器拦截后端服务出方向流量，根据出方向流量数据包的五元组，查询是否具有对应的连接状态项，若存在有效连接状态项，则执行数据包修改操作，数据包修改操作即为目的地址转换的反向动作。

优选的，数据包修改具体为修改数据包的源地址及源端口为状态项中保存的源地址及源端口，然后设置合适的MAC地址，随后将数据包重定向到合适的网卡发出，返回客户端，若不存在有效状态项，则放行数据包，数据包按照正常路径流转。

优选的，连接状态项具有老化时间，后端流量拦截器收到同一条流的数据包后，使用五元组索引到连接状态项，更新状态项老化时间，当老化时间抵达时，连接状态项失效。

优选的，后端流量拦截器在检测到流量中包含终止标记，包括TCP的RST和FIN标记的数据包时，使用五元组索引到连接状态项，后端流量拦截器通过更新使连接状态项失效。

优选的，负载均衡器在收到反向流的数据包时会重发信令IP包，避免出现由于信令数据包的丢失导致拦截器未正常建立连接状态项的情形。

优选的，跨子网直接回复的四层负载均衡器方法的实现系统，包括以下功能模块；

一、功能镶嵌框架，功能镶嵌框架用于镶嵌负载均衡器和后端流量拦截器，为负载均衡器和后端流量拦截器的运行提供良好的环境，确保其在数据流通和数据处理过程能够得到完整的技术支持；

二、数据传输通道，数据传输通道采用并行传输方式，为负载均衡器和后端流量拦截器的数据流通搭建大流量、高速和高响应速度的数据传输环境；

三、硬件控制单元，硬件控制单元用于后端流量拦截器部署于后端服务网络接口上，表现为网卡驱动和eBPF程序，通过对后台硬件进行系统控制，确保后端流量拦截器能够即时响应；

四、数据监控单元，数据监控单元采用列表式数据管理，对数据上下行、数据反馈，标记内容、数据包拓展项以及已生成的连接状态项进行实时监管；

五、数据库，数据库用于对负载均衡器所执行的目的地址转换对象和后端流量拦截器所拦截特殊的信令IP包内容进行非获取性存储，只进行命名标记存储，不读取内容，采用树状排列方式进行存储；

六、系统日志，系统日志对负载均衡器和后端流量拦截器的动作进行捕捉记录，生成相应的系统日志，系统日志存储于数据库中。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、性能强：反向流量直接回复，性能更优；

2、部署灵活：部署上，负载均衡器与后端服务只要求三层可达，更加适合VPC场景；

3、用户友好：后端服务无需做任何配置，无需配置VIP、无需配置tunnel口、无需静默ARP响应，对用户更加友好。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，包括的执行单元为负载均衡器和后端流量拦截器，其特征在于，包含以下步骤；

步骤一、所述负载均衡器上对正向流量执行目的地址转换，地址转换的目的地址为根据算法选中的后端服务地址，随后数据包通过三层转发至后端服务；

步骤二、所述负载均衡器对正向流量进行判断，当所述正向流量判断为新建流，所述负载均衡器会构造一个特殊的信令IP包，并将该信令IP包发往后端服务；所述信令IP包中包含了流量的五元组，所述五元组包括协议、源地址、目的地址、源端口和目的端口，所述信令IP还包括执行地址转换反向动作所需的源地址及源端口；

步骤三、所述后端流量拦截器用于拦截特殊的信令IP包，所述后端流量拦截器根据数据包中的信息构建此流的连接状态项条目；所述后端流量拦截器拦截后端服务出方向流量，根据出方向流量数据包的五元组，查询是否具有对应的连接状态项；

步骤四、所述后端流量拦截器对连接状态项进行分析，当存在有效连接状态项，则执行地址转换反向动作，随后将数据包直接返回客户端。

2.根据权利要求1所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，其特征在于：所述后端流量拦截器拦截修改并重定向后端服务的进出网络流量，所述后端流量拦截器部署于后端服务网络接口上，表现为网卡驱动和eBPF程序，后端服务对此无感知。

3.根据权利要求2所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，其特征在于：所述后端流量拦截器会拦截特殊的信令IP包，然后根据数据包中的信息构建此流的连接状态项条目，其具体过程包括从IP包中提取流的五元组信息及执行目的地址转换的反向过程所需的源地址及源端口，分别以正向流五元组和反向流五元组为索引建立连接状态项，该过程通过反转其端口及地址实现。

4.根据权利要求3所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，其特征在于：所述后端流量拦截器拦截后端服务出方向流量，根据出方向流量数据包的五元组，查询是否具有对应的连接状态项，判断为存在有效连接状态项，则执行数据包修改操作，所述数据包修改操作即为目的地址转换的反向动作。

5.根据权利要求4所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，其特征在于：所述数据包修改具体为修改数据包的源地址及源端口为状态项中保存的源地址及源端口，然后设置合适的MAC地址，随后将数据包重定向到合适的网卡发出，返回客户端，判断为不存在有效状态项，则放行数据包，数据包按照正常路径流转。

6.根据权利要求5所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，其特征在于：所述连接状态项具有老化时间，所述后端流量拦截器收到同一条流的数据包后，使用五元组索引到连接状态项，更新状态项老化时间，当老化时间抵达时，所述连接状态项失效。

7.根据权利要求6所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，其特征在于：所述后端流量拦截器在检测到流量中包含终止标记时，使用五元组索引到连接状态项，所述终止标记包括TCP的RST和FIN标记的数据包，所述后端流量拦截器通过更新使连接状态项失效。

8.根据权利要求7所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法，其特征在于：所述负载均衡器在收到反向流的数据包时会重发信令IP包，避免出现由于信令数据包的丢失导致拦截器未正常建立连接状态项的情形。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种跨子网直接回复的四层负载均衡器方法的实现系统，其特征在于：包括以下功能模块；

一、功能镶嵌框架，所述功能镶嵌框架用于镶嵌负载均衡器和后端流量拦截器，为负载均衡器和后端流量拦截器的运行提供良好的环境，确保其在数据流通和数据处理过程能够得到完整的技术支持；

二、数据传输通道，所述数据传输通道采用并行传输方式，为负载均衡器和后端流量拦截器的数据流通搭建大流量、高速和高响应速度的数据传输环境；

三、硬件控制单元，所述硬件控制单元用于后端流量拦截器部署于后端服务网络接口上，表现为网卡驱动和eBPF程序，通过对后台硬件进行系统控制，确保后端流量拦截器能够即时响应；

四、数据监控单元，所述数据监控单元采用列表式数据管理，对数据上下行、数据反馈，标记内容、数据包拓展项以及已生成的连接状态项进行实时监管；

五、数据库，所述数据库用于对负载均衡器所执行的目的地址转换对象和后端流量拦截器所拦截特殊的信令IP包内容进行非获取性存储，只进行命名标记存储，不读取内容，采用树状排列方式进行存储；

六、系统日志，所述系统日志对负载均衡器和后端流量拦截器的动作进行捕捉记录，生成相应的系统日志，系统日志存储于数据库中。