数据中心内负载均衡-ECMP的使用分析

个人简介:井丽南,中科院声学所国家网络新媒体工程技术中心

背景

数据中心的网络拓扑通常采用CLOS结构,主机之间常存在多条路径。数据中心为满足吞吐量敏感型流量的需求会提供大量的带宽资源。那么利用数据中心这种网络拓扑已知,路径资源、带宽资源丰富的特性,可以更好的实现负载均衡,将数据流分布到不同路径上进行数据传输,避免拥塞,提高数据中心内的资源利用率。

ECMP(Equal-cost multi-path)

ECMP是一个逐跳的基于流的负载均衡策略,当路由器发现同一目的地址出现多个最优路径时,会更新路由表,为此目的地址添加多条规则,对应于多个下一跳。可同时利用这些路径转发数据,增加带宽。ECMP算法被多种路由协议支持,例如:OSPF、ISIS、EIGRP、BGP等。在数据中心架构VL2中也提到使用ECMP作为负载均衡算法。

对于未开启ECMP的网络来说,无法充分利用路径资源。如图1所示,假设从S0到Server的为S0-S1-S2-S4即图中橘色路径,那么即便存在另一条等价路径,蓝色路径,路由器仍然会每次选择第一条橘色路径转发数据。除非此条路径发生拥塞,才会重新选择路径。

当开启ECMP功能时,便可同时利用两条路径,进行基于流的负载均衡,例如主机A到Server的数据流选择橘色路径,主机B到Server的数据流选择蓝色路径。

ECMP的路径选择策略有多种方法:

◆哈希,例如根据源IP地址的哈希为流选择路径。

◆轮询,各个流在多条路径之间轮询传输。

◆基于路径权重,根据路径的权重分配流,权重大的路径分配的流数量更多。

图1.使用ECMP进行负载均衡

ECMP面临的问题

然而ECMP是一种较为简单的负载均衡策略,其在实际使用中面临的问题也不容忽视。

1.可能增加链路的拥塞

ECMP并没有拥塞感知的机制,只是将流分散到不同的路径上转发。对于已经产生拥塞的路径来说,很可能加剧路径的拥塞。而使用哈希的方法,产生哈希碰撞也会增加链路的拥塞可能。

2.非对称网络使用效果不好

例如图2中,A与h3之间的通信,ECMP只是均匀的将流通过B,D两条路径分别转发,但实际上,在B处可以承担更多的流量。因为B后面还有两条路径可以到达h3。

图2. 非对称网络

3.基于流的负载均衡效果不好

ECMP对于流大小相差不多的情况效果更好,而对于流大小差异较大,例如大象流和老鼠流并存的情况下,效果不好。如图2,主机h1到A的流量为15,h2到A的流量为5。那么无论为h1的流量选择哪条路径都会发生拥塞。但若将h1的流拆分成两部分传输,可以避免拥塞的情况。

以上,为使用ECMP算法进行负载均衡的分析,在数据中心这种突发性流量多,大象流与老鼠流并存的环境中,需要慎重考虑选择的负载均衡策略,ECMP简单易部署但也存在较多问题需要注意。

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