交换机链路聚合技术的负载均衡算法原理（含C语言实现）

[注：本文【原理】部分来自转载，转载来源为https://blog.csdn.net/wuheshi/article/details/79128044，此部分原创作者暂未找到，但感谢原作者的知识贡献]

【原理】

HASH表介绍：
在交换机内部，每创建一个聚合组时，底层同时创建对应该聚合组的一个hash表，该表存在于交换芯片上，hash表内容如下(简化)：左列index为芯片的硬性支持，现在一般是256,512,1024，更高的未见过。Index（索引值）数量越高，负载分担越均衡。这儿以3个成员为例：

index	interface
0	eth0_0
1	eth0_1
2	eth0_2
3	eth0_0
4	eth0_1
5	eth0_2
…	…
1022	eth0_0
1023	eth0_1

一、HASH表维护：

交换机里有专门的线程，实时检测聚合组有效成员，一旦成员状态发生变化，立即刷新hash表项。顺便谈谈刷新HASH表这个技术。工程师up/down成员口，底层就必须实时的刷新成员（这儿比较考验厂商技术），刷新速度越慢，成员状态变动时丢包越多。技术最强的如cisco，可以做到up/down成员口时，不丢包。而我公司最初会丢一秒钟的包（研发设计思路问题）。后来优化后才达到up/down成员端口，有0.0几秒的丢包，无法做到不丢包。up/down分析：当工程师在命令行up/down聚合组成员时，底层表项会有那么一丁点儿的响应时间刷新表项，这丁点儿时间，已经down掉的接口还存在hash表里，而报文是一直都有的，正好被hash到这个无效的出端口的报文都会被丢弃！）
交换机负载均衡转发原理：
虽然底层有了一张HASH表，那么到底是怎么利用这张表的呢？
1）工程师设定端口成员与HASH算法，如SIP、DIP、SIP+DIP、SIP+DIP+SP+DP等。
2）交换机根据成员生成HASH表，根据算法提取报文中相应内容。
3）使用特定HASH值的计算方法，把提取的内容计算出一个10bits的值。
4）找到底层HASH表项中该值对应的出端口。
5）把报文从这个出端口转发出去。

二、HASH值的计算方法：

xor是异或运算，即两个值不相同，则异或结果为真；反之，为假。不同为1，相同为0。

1、SIP（源IP）

1）SIP xor 0 得到一个32bit的值.
2）然后作高16bits和低16bits的xor.
3）再用16bits的15-12bits与11-8bitsxor,将得到的4bits替换到11-8bits,得到12bits右移2位得到10bits的hash值
注：10bits的值必然是0-1023里的一个数，该index对应的interface是多少，就从该接口转发出去。（相同的IP必然是相同的hash值）

2、DIP（目的IP）

同SIP

3、SIP+DIP（源IP+目的IP）

1）DIP xor SIP得到一个32bits的值。
2）然后作高16bits和低16bits的xor。
3）再用16bits的15-12bits与11-8bitsxor,将得到的4bits替换到11-8bits,得到12bits右移2位得到10bits的hash值。

4、SIP+DIP+SP+DP(源地址 + 目的地址 + 源端口 + 目的端口)

1）SIP xor DIP得到32bit的值value1；
2）hashtemp1的低16bits xor SP 得到32bit的hashtemp2；
3）hashtemp2 的低 16bit xor DP 得到 32bit 的hashtemp3；
4）然后作高16bits和低16bits的xor5）再用16bits的15～12bits和11～8bits xor，将得到的4bits替换到11～8bits，得到12bits右移2位得到10bits的hash值。

【代码实现（本程序假定只有2个物理成员接口）】

本部分是基于源IP地址进行哈希运算，从而计算出哈希值，并通过这个哈希值（上文描述的索引值）选择对应的物理成员接口转发出去。
算法模拟程序运行结果如下：

以下是关键代码的解释：

【模拟程序运行结果说明与总结】

通过对模拟程序计算的结果来看，按照SIP（源IP地址）进行哈希运算，并通过最后的索引值来决定转发的物理成员接口，我们发现该大部分的IP地址都会从程序中设定的1号物理成员接口转发出去，剩下的IP地址才是从2号物理成员接口进行转发。
这样的结果就意味着，各个物理成员接口流量的分摊比例是不同的，通俗点讲，可能就会出现1号物理口承担了全网80%的流量，2号物理口只承担了全网20%的流量，源IP这样的聚合算法（负载分担模式）并不是绝对平均的。
其它的聚合算法也会有这种“不绝对平均”的问题，不过一般说来，初始组合值越长，比如“源MAC+目的MAC+源IP+目的IP”这样哈希值，经过运算之后，会达到一种更加平均的流量走向。

【基于此原理须在实际生产环境考虑的问题（个人观点）】

在某些对流量负载比较严格的环境下，必须要考虑不同链路的分摊比例对网络及其业务造成的影响，并且还要考虑将链路资源浪费的情况降到最低，也要保证各个链路不要出现网络拥塞。

【聚合算法与手工负载分担、静态LACP之间的关系】

聚合算法是实现链路聚合的原理实现，是前提或基础，而手工负载分担和静态LACP是链路聚合根据应用场景的不同使用的两种模式，他们的前提和基础仍旧是聚合算法，在配置上他们是不冲突的。

【算法验证】

为验证上面所有描述的正确性，我们使用HCL（华三云实验室）模拟器进行验证：（经过程序模拟，192.102.20.54与1.1.1.1不会从同一个物理接口转发出）
网络拓扑如下：

通过对左侧交换机的两个物理出接口抓包，其结果如下：

可以看出，通过HCL模拟器的运行结果和上述C程序计算结果一致。

【附：模拟程序源码（C程序）】

/*
**程序：交换机链路聚合负载均衡算法（源IP）
**作者：木下^_俱欢颜*
**备注：此程序假设前提聚合接口的物理成员接口只有两个
**IDE：Visual Studio 2017
*/
#include 
#include 
#include 
void Switch_EthTrunk_Hash() {
	int S_IPadd[32];               //源IP地址
	int S_IPadd_XOR[16];           //高16位与低16位异或后的中间值
	int S_IPadd_XOR_Forebit[4];    //整个算法在第三步所产生的4位中间值
	int S_IPadd_Hash_num[10];      //整个算法最后得到的10位二进制哈希值
	int S_IPadd_Hash_numTen = 0;   //声明变量：最后哈希值的十进制表示，初始值为0
	int S_IPaddTen4= 0, S_IPaddTen3= 0, S_IPaddTen2 = 0, S_IPaddTen1= 0;  //将IP地址以点分十进制所需变量
	//以下代码为输入源目IP地址
	printf("请输入32位二进制源IP地址（本端交换机IP地址）：\n");
	for (int i = 0; i < 32; i++) {
		printf("本端IP地址第%d位为：", 32 - i);
		scanf("%d", &S_IPadd[i]);
	}
	printf("\n");
	//将二进制IP地址转换为点分十进制形式（变量j是次幂的指数，每次进行十进制转换前都应当初始化为7）
	int j = 7;
	for (int i = 0; i < 8; i++) {
		S_IPaddTen4 += S_IPadd[i] * pow(2, j);
		j--;
	}
	j = 7;
	for (int i = 8; i < 16; i++) {
		S_IPaddTen3 += S_IPadd[i] * pow(2, j);
		j--;
	}
	j = 7;
	for (int i = 16; i < 24; i++) {
		S_IPaddTen2 += S_IPadd[i] * pow(2, j);
		j--;
	}
	j = 7;
	for (int i = 24; i < 32; i++) {
		S_IPaddTen1 += S_IPadd[i] * pow(2, j);
		j--;
	}
	printf("您输入的二进制IP地址的点分十进制形式为：%d.%d.%d.%d\n\n",S_IPaddTen4, S_IPaddTen3, S_IPaddTen2, S_IPaddTen1);
	/*
	**对源地址进行哈希计算（包含三个步骤：）
	*/
	//1、与0异或得到32bit的值
	for (int i = 0; i < 32; i++) {
		S_IPadd[i] = S_IPadd[i] ^ 0;
	}
	printf("算法步骤1--->二进制IP地址与0异或之后的结果为：");
	for (int i = 0; i < 32; i++) {
		printf("%d",S_IPadd[i]);
	}
	printf("\n");
	//2、之后低16bit与高16bit异或
	for (int i = 0; i < 16; i++) {
		S_IPadd_XOR[i] = S_IPadd[i] ^ S_IPadd[i + 15];
	}
	printf("算法步骤2--->步骤1结果的高16位与低16位异或的结果为：");
	for (int i = 0; i < 16; i++) {
		printf("%d", S_IPadd_XOR[i]);
	}
	printf("\n");
	//3、再用16位的15-12位与11-8位异或，将得到的4bits替换到11-8bits，得到12位数右移2位得到10bits的哈希值
	for (int i = 0; i < 4; i++) {
		S_IPadd_XOR_Forebit[i] = S_IPadd_XOR[i] ^ S_IPadd_XOR[i + 4];
	}
	printf("算法步骤3.1--->步骤2结果的16位中第15-12位与11-8位异或，将得到的4位二进制数为：");
	for (int i = 0; i < 4; i++) {
		printf("%d", S_IPadd_XOR_Forebit[i]);
	}
	printf("\n");
	for (int i = 0; i < 4; i++) {
		S_IPadd_XOR[i + 4] = S_IPadd_XOR_Forebit[i];
	}
	//以下代码为12位数向右移动两位的实现
	for (int i = 4; i <= 13; i++) {
		S_IPadd_Hash_num[i - 4] = S_IPadd_XOR[i];
	}
	printf("算法步骤3.2--->步骤3.1生成的10位二进制哈希值为：");
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		printf("%d", S_IPadd_Hash_num[i]);
	}
	printf("\n");
	printf("算法最终计算的结果如下：\n\n");
	if (S_IPadd_Hash_num[9] == 0) {
		printf("此源IP地址相关数据包将从Eth-Trunk聚合接口的1号物理口转发出去\n\n");
	}
	else if (S_IPadd_Hash_num[9] == 1) {
		printf("此源IP地址相关数据包将从Eth-Trunk聚合接口的2号物理口转发出去\n\n");
	}
	else {
		printf("数据非法！\n\n");
	}
}
int main()
{
	Switch_EthTrunk_Hash();
	system("pause\n");
	return 0;
}