数据中心路由

数据中心有何不同？

在上一节中，我们设计了 Clos 网络，这种网络在服务器之间创建了多条路径。服务器可以通过网络中的不同路径同时进行高带宽通信。

如果我们将标准路由算法应用于这些网络拓扑，会出现什么问题呢？

到目前为止，我们的路由协议会在源端和目的端之间选择一条单一路径。如果所有流量都使用同一条路径，我们就无法充分利用 Clos 网络中所有额外的链路。理想情况下，我们希望修改路由协议，使数据包能够在相同端点之间使用多条路径。

假设 A 和 B 的上行带宽为 200 Gbps，交换机到交换机的链路带宽为 100 Gbps。如果 A 和 B 之间的所有流量都被迫走绿色路径，那么红色路径就会被闲置。如果我们允许数据包走不同的路径，本来可以实现全速传输数据。

此外，当存在多个同时进行的连接时，我们希望这些连接使用不同的路径，以最大化带宽。

假设所有链路的带宽都是 100 Gbps。在这个例子中，多个连接在竞争带宽。如果 A-B 和 C-D 连接都选择同一条路径，那么 R1-R2 和 R2-R4 链路就会被过度使用（在 100 Gbps 的容量上承载 200 Gbps 的流量）。如果 A-B 和 C-D 使用不同的路径，本来可以实现全速传输数据。

等价多路径（ECMP）路由

在等价多路径路由中，我们的目标是找到所有最短路径（具有相同成本），并在这些路径之间对数据包进行负载均衡。

如果一个数据包到达路由器，但存在多条都是有效最短路径的出链路，路由器应该选择哪条链路呢？路由器需要一个函数（可以理解为一段代码），它接收一个数据包，并输出链路的选择。这个函数应该能在等价路径之间适当地对流量进行负载均衡。

一种可能的策略是轮询。如果有两条最短路径的出链路，我们的函数可以规定：所有奇数编号的数据包通过链路 1 发送，所有偶数编号的数据包通过链路 2 发送。

这种方法存在哪些问题呢？等价路径并不一定意味着所有路径的延迟都相同。（请记住，成本是由运营商根据他们喜欢的任何指标来定义的。）如果我们将所有奇数数据包通过一条慢链路发送，而所有偶数数据包通过一条快链路发送，那么 TCP 接收方可能会先收到所有偶数数据包，而奇数数据包还未到达。TCP 会关注数据包的乱序问题，因此接收方将被迫缓存偶数数据包，直到缺失的奇数数据包到达，这会导致性能下降。

一种更智能的策略是查看数据包头部的一些字段，并利用这些字段来做出确定的链路选择。我们可以查看哪些字段呢？

我们可以使用目的 IP 来在最短链路之间进行选择。（毕竟我们在路由中已经在使用目的 IP 了。）但是，如果很多源端都向同一个目的端发送数据包呢？所有数据包都具有相同的目的 IP，因此它们都会被映射到同一条最短链路。我们并没有在各种最短链路之间对数据包进行负载均衡。

如果我们使用源 IP 来在最短链路之间进行选择呢？如果一个源端向很多目的端发送数据包，我们会遇到类似的问题。所有数据包都具有相同的源端，因此它们都会被映射到同一条最短链路。

我们可以不只看一个字段，而是同时查看源 IP 和目的 IP。为了在最短链路之间进行负载均衡，我们可以对源 IP 和目的 IP 进行哈希，然后将得到的哈希值映射到一条链路（类似于哈希表的工作方式）。源 IP 和目的 IP 一起包含了足够的熵，避免了我们之前遇到的问题，即具有相同源端或相同目的端的许多连接被映射到同一条链路。

我们还有一个问题：如果在相同的源端和目的端之间存在多个大型连接，我们不希望所有这些连接都映射到同一条链路。为了解决这个问题，我们可以额外查看 TCP 或 UDP 头部中的源端口和目的端口。

更一般地说，我们所描述的所有问题（TCP 连接中的乱序、一条链路上有太多连接）都可以通过将每个连接放在单独的链路上来解决。为了唯一标识一个连接，我们需要一个五元组：（源 IP、目的 IP、协议、源端口、目的端口）。请注意，我们需要协议来区分使用相同 IP 和端口的 TCP 和 UDP 连接。两个数据包属于同一个连接，当且仅当它们具有相同的五元组。

通过对这 5 个值进行哈希，我们可以确保同一连接中的数据包使用相同的路径（避免乱序问题），并且我们可以在不同路径之间对连接进行负载均衡。这种方法有时被称为按流负载均衡。现代商用路由器通常内置了读取这 5 个值的支持。

按流负载均衡确保每条链路被大致相同数量的连接使用，尽管它没有考虑连接大小的不同。从技术上讲，考虑连接大小是可能的，但这样做成本更高（路由器需要做更多工作），而且收益不大（按流负载均衡在均衡不同大小的连接方面已经做得相当好），因此在实践中不会这样做。

多路径距离矢量协议

为了最大化带宽，我们应该让数据包沿着不同的路径发送，即使它们要去往同一个目的端（例如，如果这些数据包属于不同的连接）。这意味着我们必须修改路由协议，使路由器了解所有最短路径，而不仅仅是一条。

在标准的距离矢量协议中，如果我们收到一个新路径的通告，而该路径的成本等于已知的最佳成本，我们不会接受这条新路径。但是，为了记住所有最低成本路径，我们实际上应该接受这条等价成本路径，并将这两条路径都存储在转发表中。现在，在转发表中，一个目的端可以映射到多个下一跳，只要它们都具有相同的最小成本。

在这个例子中，R1 从 R4 和 R3 都收到了通告，两者都宣称可以在 2 跳内到达 B。我们的转发表将 R4 和 R3 都存储为可能的下一跳，两者的最小成本都是 3。

在转发数据包时，路由器对五元组进行哈希，将大约一半的连接转发到 R3，另一半转发到 R2。

多路径链路状态协议

在链路状态协议中，我们泛洪通告，以便每个节点都拥有网络的完整图景。通常，每个节点计算到每个目的端的最短路径来填充转发表。为了支持多条路径，每个节点需要改为为每个目的端计算所有最短路径。

与修改后的距离矢量协议一样，转发表现在可以为给定的目的端包含多个下一跳。

（注：文档部分内容可能由 AI 生成）