High Availability（高可靠性）技术简介

　　在互联网发展过程中，服务的可靠性已经成为日益重要的问题。网络服务提供商们越来越热衷于将网络流量的控制设备应用于冗余的结构中，例如网络交换机的冗余拓扑方案。传统的做法是将它们配置成主—备模式，即有一台服务器处于工作状态，另一台处于备用状态。一个不包含虚拟路由器冗余协议[Virtual Router Redundancy Protocol（VRRP）]的主—备模式网络拓扑结构如图1所示。

图1 不包含VRRP的主—备模式网络拓扑图

　　尽管以上结构通过消除单点故障来提高网站的可靠性，但是网络服务的提供商们仍然觉得它没有充分地利用网络设备的资源。因为备用服务器一直处于闲置状态，除非那台工作着的服务器出现了故障，它才会接管网络服务。现在，网络服务的提供商们要求网络设备供应商为他们搭建一个新的冗余结构，在此结构中，所有健康的设备都要能够用于处理网络流量，以便增加网站的吞吐量，缩短用户的响应时间。

　　Web OS高可靠性拓扑结构是以VRRP为基础的。VRRP的执行过程支持3种高可靠性的解决方式：

　　•  Active-Standby

　　•  Active-Active

　　•  Hot-Standby

　　在RFC2338中定义的第一种方式是以标准VRRP为基础的；第二种和第三种方式是以VRRP的Web OS的所有权扩展为基础的。下面将对以上三种模式进行详细地说明。

Active-Standby 冗余结构

　　在如图2所示的Active-Standby拓扑结构中，使用了两台网络交换机。他们都能支持网络上的信息流，但是它们被限定为不同时提供相同的服务。每台交换机都负责各自承担的网络服务（例如IP路由接口或者对虚拟服务器的IP地址进行负责均衡），同时又为另一台交换机所提供的服务做备份。如果其中的一台交换机宕机了，那么另一台交换机将接管所有的网络服务。

　　值得注意的是，在Active-Standby拓扑结构中，两台交换机不能同时提供相同的网络服务。

图2 Active-Standby冗余结构

Active-Active 冗余结构

　　在Active-Active冗余结构中，两台网络交换机互为冗余，它们也同时提供相同的网络服务。

　　Web OS将VRRP进行了扩展，使其包含虚拟服务器，并允许在第四层交换机之间实现完全的 Active-Active冗余功能。在如图3所示的Active-Active网络拓扑结构中，两台交换机能够同时处理相同服务的信息流，不仅如此，它们还能同时作为一个给定IP的路由界面或是负责均衡虚拟服务器。

图3 Active-Active冗余结构

　　在上面的例子中，仍然有一个交换机作为主路由器。但是，通过备份路由器的网络流量将被该路由器截取和处理。

Hot-Standby 冗余结构

　　在Hot-Standby拓扑结构中，将不再需要生成树协议[Spanning Tree Portoco（STP）]来消除桥梁套线。用于备份的交换机封锁了所有被配置为备份的端口。然而主交换机却使它们可用。因此，在一个给定的交换机中，所有的虚拟路由器不是主动的就是备份的。它们不能单独地改变状态。

　　为了提供尽可能高的灵活性，人们把原有的热备方法进行了修改，使之以VRRP为基础，并减少了此前与之相关的一些问题。在Hot-Standby拓扑结构中，两个或三个交换机互为冗余备份。其中的一个被选为主交换机，负责处理第四层的信息流。当主交换机宕机时，其他的交换机（备份交换机）则取代它的位置。

　　在基于VRRP的Hot-Standby拓扑结构中，有三个组成部分：虚拟路由器组，额外的第四层端口状态以及同步配置选项。Hot-Standby模型如图4所示。

四层交换机支持的相关技术

　　下列为四层交换机普遍采用的主要技术：

　　（1）包过滤/安全控制：在大多数路由器上，采用第四层信息去定义过滤规则已经成为默认标准，所以有许多路由器被用作包过滤防火墙，在这种防火墙上不仅能够配置允许或禁止IP子网间的连接，还可以控制指定TCP/UDP端口的通信。和传统的基于软件的路由器不一样，第四层交换区别于第三层交换的主要不同之处，就是在于这种过滤能力是在ASIC专用高速芯片中实现的，从而使这种安全过滤控制机制可以全线速地进行，极大地提高了包过滤速率。

　　（2）服务质量：在网络系统的层次结构中，TCP/UDP第四层信息，往往用于建立应用级通信优先权限。如果没有第四层交换概念，服务质量/服务级别就必然受制于第二层和第三层提供的信息，例如MAC地址，交换端口，IP子网或VLAN等。显然，在信息通信中，因缺乏第四层信息而受到妨碍时，紧急应用的优先权就无从谈起，这将大大阻止紧急应用在网络上的迅速传输。第四层交换机允许用基于目的地址、目的端口号（应用服务）的组合来区分优先级，于是紧急应用就可以获得网络的高级别服务。

　　（3）服务器负载均衡：在相似服务内容的多台服务器间提供平衡流量负载支持时，第四层信息是至关重要的。因此，第四层交换机在核心网络系统中，担负服务器间负载均衡是一项非常重要的应用。第四层交换机所支持的服务器负载均衡方式，是将附加有负载均衡服务的IP 地址，通过不同的物理服务器组成一个集，共同提供相同的服务，并将其定义为一个单独的虚拟服务器。这个虚拟服务器是一个有单独IP地址的逻辑服务器，用户数据流只需指向虚拟服务器的IP地址，而不直接和物理服务器的真实IP地址进行通信。只有通过交换机执行的网络地址转换（NAT）后，未被注册IP地址的服务器才能获得被访问的能力。这种定义虚拟服务器的另一好处是，在隐藏服务器的实际IP地址后，可以有效地防止非授权访问。

　　虚拟服务器是基于应用服务（第四层TCP/UDP端口号）定义的，这样，独立服务器便可以是虚拟服务器的成员。而使用第四层对话标志信息，第四层交换机则可以使用许多负载均衡方法，在虚拟服务器组里转换通信流量，其中OSPF、RIP和VRRP等协议与线速交换和负载均衡是一致的。第四层交换机还可以利用被称之为TRL（Transaction Rate Limiting）功能所提供的复杂机制，针对流量特性来遏制或拒绝不同应用类型服务。可以借助CRL（Connections Rate Limiting）功能，使网络管理员指定在给定的时间内所允许的连接数，保障QoS。或者借助SYN-Guard功能，确保那些满足TCP协议的合法连接才可查询网络服务。

　　（4）主机备用连接：主机备用连接为端口设备提供了冗余连接，从而在交换机发生故障时有效保护系统，这种服务允许定义主备交换机，同虚拟服务器定义一样，它们有相同的配置参数。由于第四层交换机共享相同的MAC地址，备份交换机接收和主单元全部一样的数据。这使得备份交换机能够监视主交换机服务的通信内容。主交换机持续地通知备份交换机第四层的有关数据、MAC数据以及它的电源状况。主交换机失败时，备份交换机就会自动接管，不会中断对话或连接。

　　（5）统计：通过查询第四层数据包，第四层交换机能够提供更详细的统计记录。因为管理员可以收集到更详细的哪一个IP地址在进行通信的信息，甚至可根据通信中涉及到哪一个应用层服务来收集通信信息。当服务器支持多个服务时，这些统计对于考察服务器上每个应用的负载尤其有效。增加的统计服务对于使用交换机的服务器负载均衡服务连接同样十分有用。

中国科学院邮件系统四层交换机Alteon Web Switch简介

　　Alteon Web Switch全系列产品采用稳定的Web OS操作系统，具体功能如下：

　　•  支持第四层基于TCP/UDP负载平衡(立即绑定)

　　•  支持HTTP（持续的和非持续性）负载均衡、FTP、DNS、Radius、SMTP、POP3、IMAP、和NNTP等服务的负载均衡

　　•  支持第七层HTTP的URL、Cookie、SSL的负载均衡(延迟绑定)

　　•  数量无限的虚拟的IP地址，支持网络地址转换交换机支持多达2046条的基于测量的过滤规则

　　•  灵活性地处理应用流量，提供应用重定向功能能够透明地将任何TCP/IP应用重新引导至多达1024台服务器，这些服务器可位于网络中的任何一个地方

　　•  通过对服务器组的智能健康检查，确保服务器网络的物理连接、TCP/IP操作和服务器应用的可用性。支持用户自定义的健康检查

　　•  支持多种服务器负载均衡算法，包括循环算法、最少连接算法、散列算法、最少连接失误算法等等。同时为有效利用服务器集群，可以指定每台服务器的会话连接数和处理会话的加权值

　　•  提供基于应用的带宽管理服务，支持1024个服务带宽管理合约

　　•  支持无故障的高可靠性应用(VRRP)

　　•  支持高性能的第二层交换每个端口支持256个VLAN

　　•  支持JumboFrames、802.1d生成树、802.1Q VLAN标记

　　•  支持第三层IP路由(RIP)、静态路由和基于硬件的IP包交换

　　•  提供Web用户管理接口和SSH远程管理接口

Alteon交换机分布式体系结构和虚拟矩阵(VMA)技术

　　Alteon公司的虚拟矩阵体系结构通过提供资源汇聚，融合集中式的灵活和分布式的性能优势，避免性能限制和困扰二级混合模型的缺乏并行化的弱点，极大地改变了Web交换机的架构。采用VMA技术的Web交换机设计，是将大量网络处理器直接集成在高吞吐的交换矩阵上。这种设计使得由软件完成的控制处理和各端口由硬件组成的交换引擎直接协同完成Web交换功能。 在Alteon交换机的每个端口上配置了称为WebIC的应用集成电路(ASIC)芯片。WebIC芯片包含一个硬件集成的交换引擎和二个RISC处理器，是专为网络应用优化设计的ASIC芯片。由于控制和交换部分集成在同一块高速ASIC芯片上，这两部分之间的距离几乎为零。由于每个交换机端口都有WebIC，控制和交换功能可以在所有端口上并行执行，极大地提高了数据包和会话交换性能。

高性能服务器负载平衡

　　Alteon上的服务器负载平衡通过支持立即绑定和延迟绑定技术，实现了对Internet/Intranet的TCP/IP的第四层和第七层交换。将传统网络服务器处理能力，通过服务器集群之间负载均衡极大地提高了处理能力。通过Alteon的服务器负载均衡处理，众多用户的请求被透明地分配到由多个服务器组成的服务器集群中处理，提高用户的响应速度。Alteon可以根据用户访问的流量大小，调整服务器集群的处理容量，这样做一方面降低了采用大型网络服务器的费用；同时可以灵活地随应用增加，调整网络服务器，维持对用户的快速响应时间。 由于Alteon交换机的每个端口均有一个由2个RISC处理器组成的计算机系统处理TCP/IP的第2、 3、4、7层包交换，因此该交换具有极高的会话处理能力。在未打开VMA时交换机可以每秒处理 64K个TCP会话，在打开VMA时，交换机每秒可以处理512K个TCP会话。测试结果表明，在启动了 VMA后，Alteon交换机可以到达每秒处理13,428个第七层基于URL分析的会话交换，和未配置 VMA时的处理能力相比提高了多达4倍的处理性能。

应用和服务器灵活的分组

　　Alteon提供虚拟IP地址（VIP）和TCP/UDP应用的端口(Vport)来代表目标服务器和应用。因此，它能够为大量的基于TCP/IP的网络应用提供服务器负载均衡服务。客户和服务器之间的每个应用会话的服务器分配，是根据会话请求数据包中目的VIP地址和目的端口Vport对应的最有效的实际服务器完成的。

　　Alteon能够支持立即绑定和延迟绑定。基于TCP/UDP端口的立即绑定技术，可以为大量的 TCP/IP应用提供负载均衡服务，包括HTTP、FTP、DNS、Radius、SMTP、POP3、IMAP和NNTP等服务器的负载均衡。基于应用层信息的延迟绑定技术为大量电子商务应用提供的服务器性能拓展，例如提供基于URL字符串的负载均衡、根据HTTP头中的Cookie提供用户的请求的持续性，和对基于SSL的请求按SSL ID实现会话的持续性。

　　Alteon在完成交换的同时自始自终地监控每个会话，当它在客户机和服务器之间转发数据包。在交换机中可以根据用户应用建立多达256个虚拟VIP地址。用户的服务器也可以按照需要加入到多个服务器集群中。为了解决用户注册IP地址紧缺的问题，Alteon提供地址转换功能，即用户服务器集群中的服务器可以配置私有IP地址，只需将注册IP地址分配给VIP，由交换机在完成会话交换的同时完成IP地址的转换。通过Alteon交换机的VIP按块管理技术，实际上允许建立几乎无限数量的虚拟地址，从而令管理既快速、又简单。

简单有效的负载平衡算法

　　Alteon交换机的系统管理员可以为每个VIP设置对应服务器集群采用的负载平衡方法。这些方法包括如循环法、最小连接法、散列算法、合最少失误算法等。此外实际服务器可以被分配不同的加权值来调整被分配的流量。比如性能高的大型服务器可配置较大的加权值，而为性能较低的小型服务器设置较小的加权值。为了避免服务器因过载而崩溃，可为实际服务器指定最大连接阈值来避免该服务器过载。任何服务器可被指定为另一台服务器的备份服务器或溢出服务器，从而进一步保证了应用可用性。其它负载平衡方法最大限度地利用高速缓存服务器、防火墙和其它Internet设备的工作效率。

　　Alteon交换机还有一套完善的服务器健康检查策略。系统管理员可以对服务器集群指定一种健康检查算法，以使交换机周期自动测试集群中的每个服务器。一旦发现服务器无法通过健康检查，就立即停止分配会话给该服务器。服务器的健康检查方法可以是ICMP Ping、TCP会话建立测试、应用测试、还可以是用户自定义的健康测试。当故障服务器修复加入到服务器集群中时，交换机会自动测试发现修复的服务器，并开始分配流量给新的服务器。

灵活的应用过滤

　　Alteon上的应用过滤提供前所未有的网络通信控制水平。管理人员可以根据应用类型、协议和IP源地址和目的地地址转发、舍弃、地址转换、和重定向数据包。每个交换机可最多创建 2046个过滤规则，其中任意或所有规则都适用于每个端口。通过Alteon的过滤算法，系统管理员可以根据其实际的网络环境，完成许多特定的过滤和包处理。

基于策略的应用重新定向

　　基于策略的重新定向是Alteon交换机应用过滤的一种重要的应用。通过应用重定向，系统管理员能使用强有力的过滤规划来拦截发往任何设备的通信，并将其重新导向至一组相同类型的设备。应用重新导向技术主要用于支持对透明高速缓存服务器组成缓存服务器组，降低 Internet访问响应时间、WAN带宽消耗和提供缓存系统的扩展性。此外，应用重定向技术在实现防火墙负载均衡、路由器负载均衡、以及多种用户特定的通信业务定向和负载平衡设计中发挥重大作用。

带宽管理

　　事实上，Internet是商业用户和业余爱好者的共享资源。对于电子商务应用来讲，能否确保它的Internet带宽至关重要。如果一个商业网站和一个Internet电影站点共享Web托管资源，它就要避免共享的路由器链路被大量视频下载所阻塞，这种需求引发了服务质量（QoS）技术。Internet骨干网络的设备采用了这种技术。作为提供服务器负载均衡和应用重定向的 Alteon 交换机能构根据应用数据包的连端口、源/目的MAC地址、源/目的IP地址、VLAN、以及应用特征信息，实施带宽管理。ACEdirecotr 4能够支持多达1024个用户带宽管理合约，提供从256K到1000M范围内的带宽控制。

IP 交换和 Nortel PP8600 MLT 干线群

　　Alteon上基于第3层的IP交换提供全面的拓扑结构灵活性。负载共享服务器群中的服务器以及备份服务器和溢出服务器均可放置于路由网络中的任意位置，甚至可以跨越广域网放置。 IP交换还通过允许负载共享服务器使用专用IP地址简化配置并增加安全性；与此同时公众通过不同的虚拟IP地址可访问它们。Alteon支持第三层和第二层符合Nortel MLT和Cisco EtherChannel的干线群，允许无缝干线连。

高可靠性

　　Alteon交换机通过支持VRRP技术为Internet/Intranet网络应用提供了高可靠性的网络解决方案，在整个系统范围内消除了单点故障。Alteon的高可靠性解决方案可以用于服务器负载均衡、以及防火墙负载均衡等多种环境。Alteon可以在不到1秒内就可探测到交换机故障，并进行故障切换。Alteon的高可靠性解决方案支持多种工作模式，包括热备份模式、工作—备份模式、以及工作—工作模式。

自适应性网络管理

　　有Alteon功能可通过任意Web浏览器，SNMP管理应用程序或通过一个命令行界面（可通过远程访问、串行或Telnet连接对这个命令行界面进行访问，因而具有全面的口令保护功能）进行全面地管理和配置。Alteon在每个端口支持一个专用MIB和4组RMON；它还支持端口镜像，以获取详细的统计信息。Alteon交换机提供了一套完整的系统操作员管理权限控制。交换机的操作员可以按其管理职责分为第2层端口、链路管理员、第三层IP路由管理员、第四层/第七层SLB、GSLB、BWM管理员等。其中还可以指定那些管理员可以配置系统参数、那些系统管理员仅可检查交换机状态。Alteon提供基于安全Shell(SSH)和安全考备(SCP)协议提供对系统管理员的远程操作实施管理员身份认证和操作数据的加密处理。