摘要：随着云计算、大数据和AI技术的迅猛发展,网络流量的爆炸式增长对交换芯片的性能提出了更高的要求。链路负载均衡与会话保持作为高性能交换芯片的关键技术,对于提升网络吞吐量、降低延迟以及保证服务质量至关重要。基于此,本文在分析链路负载均衡与会话保持技术原理的基础上,提出了一种新颖的链路负载均衡与会话保持设计方案,并通过实验验证了该方案在提升会话保持率、提升吞吐量和降低延迟等方面的优越性能。

　　关键词：高性能交换芯片；链路；负载均衡；会话保持

　　0引言

　　在数据大爆炸时代,从企业级数据中心到广域网,再到物联网和人工智能的各类应用场景,网络流量的规模和复杂性都在以前所未有的速度增长,对于承载巨大流量的交换机、交换芯片等网络设备构成了巨大的性能压力。高性能交换芯片以及链路聚合技术的强大数据处理能力,对于保障网络稳定运行,满足高频交易、大规模人工智能训练、实时视频流等应用场景的需求至关重要。然而,如何均衡高性能交换芯片多条链路之间负载和会话保持的稳定性,成为亟待解决的问题[1]。

　　1链路负载均衡与会话保持技术概述

　　1.1链路负载均衡技术

　　链路负载均衡的主要目标是将网络流量均匀地分配到多条可用链路上,避免单条链路过载,提高网络的整体性能和可靠性。常见的链路负载均衡算法包括轮询算法、哈希算法、最小连接数算法等。其中轮询算法是一种简单的负载均衡算法,它将数据包依次轮流分配到各条链路上,尽管算法实现简单,但是会导致报文乱序。哈希算法通过对数据包的源IP地址、目的IP地址、端口号等特征字段进行哈希计算,并将相同特征的数据包映射到同一条链路上,确保报文不会乱序且能实现会话保持,但哈希冲突可能导致流量分配不均。最小连接数算法根据链路的当前连接数来分配流量,将数据包分配到连接数最少的链路上,能够动态适应链路的负载状态,但增加了系统的复杂度[2]。

　　1.2会话保持技术

　　会话是指在两个或多个通信实体之间建立并维持的一系列相关的交互操作。会话保持也常被称为会话黏性或亲和性,是指负载均衡器、交换机等网络设备在转发属于同一会话的数据包时,确保这些数据包始终被定向到同一个后端服务器或通过同一条网络路径的能力。常见的会话保持机制包括基于哈希的会话保持、基于状态的会话保持等。比如基于哈希的会话保持通过哈希算法将会话的标识符映射到特定的链路,实现会话的绑定；基于状态的会话保持通过维护会话的会话ID、链路状态等状态信息,在数据包转发时根据会话状态选择对应的链路。

　　2高性能交换芯片中的链路负载均衡与会话保持的设计

　　2.1系统架构设计

　　高性能交换芯片的链路负载均衡与会话保持系统的设计旨在解决传统负载均衡方法在链路故障时可能导致会话中断或大量重哈希的问题。其核心思想是在首次路径选择与流学习、后续包基于流表转发和链路故障时的智能重选环节中实现无缝切换,确保会话连续性和链路负载均衡的动态优化,即通过精确的流状态监控和快速重哈希机制有效降低故障影响,提升网络稳定性和用户体验。高性能交换芯片的链路负载均衡与会话保持系统架构主要包括数据平面和控制平面两部分。其中数据平面部分负责哈希计算模块、流表查找模块、链路选择模块等数据包的快速转发和流量分配；控制平面负责维护链路状态信息、流表管理以及链路状态监测模块、流表管理模块、策略决策模块等的协同工作和动态调整[3]。

　　2.2链路负载均衡算法设计

　　一是哈希算法的创新设计。为了提高哈希算法的均匀性和减少哈希冲突,结合链路负载状态实时调整哈希映射策略,通过引入动态哈希因子创新一种基于混合特征的哈希算法,结合数据包的源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、协议号等算法五元组以及带宽利用率、延迟等链路负载状态信息进行哈希计算,动态调整哈希映射,有效减少冲突,提升流量分配均匀性（如图1所示）。二是动态链路选择策略设计。为了实现对链路动态负载状态的感知,本系统设计了一种动态链路选择策略,即通过定期监测链路的带宽利用率、延迟、丢包率等指标,实时更新链路的负载状态信息（如图2所示）,并在数据包转发时,根据链路的负载状态和哈希索引,选择负载最轻的可用链路进行转发。

　　2.3会话保持机制设计

　　对于会话保持机制的设计,一是采用流表管理机制来实现会话保持。流表中记录会话的标识符、对应的链路索引、会话超时时间等信息,并且当数据包进入交换芯片时,首先进行流表查找,如果找到匹配的流表项,则按照流表项中记录的链路索引进行转发,并更新会话超时时间,如果未找到匹配的流表项,则进行哈希计算和链路选择,创建新的流表项,并将数据包转发至选定的链路。另外,为了避免流表爆炸,设计了流表老化机制,即当流表项在一段时间内没有数据包匹配时,自动删除该流表项。二是会话释放策略的创新设计。当会话结束时,主动删除对应的流表项,释放资源；当会话超时到达时,自动删除流表项,释放资源；当链路出现故障或负载过高时,强制删除该链路上的会话流表项,并重新分配流量。三是会话迁移机制的优化。传统Hash选路时,链路成员数量发生增减（Hash取模的数字变化）,会使现有流量重新选路,无法实现会话保持。针对此问题,当前研究额外增加了一张大的流表,通过Hash B值索引,当既有流量进入交换芯片时,如果Hash B值存在流表,直接基于B值的信息转发。此时无论链路成员数量的多少,都不会重算Hash,可以达到会话保持。如果Hash B值记录的转发链路发生故障,会直接选用此链路的备份链路进行转发,不会重新计算Hash,从而确保会话的连续性和稳定性。此外,备份链路的选择基于实时负载状态,进一步优化了流量分配,提升了系统的整体性能和可靠性[4]。

　　2.4硬件加速设计

　　高性能交换芯片的架构设计直接影响链路负载均衡和会话保持机制的实现效果与性能表现。现代交换芯片需要在处理能力、延迟、功耗和面积等多方面进行精细权衡,以支持日益复杂的网络功能需求。因此,为了提高高性能交换芯片中的链路系统的处理性能,还需要对关键模块进行硬件加速设计,以降低数据包处理延迟和提升吞吐量。一是多核处理架构。现代高性能交换芯片普遍采用多核架构设计,将控制平面(PP)与数据平面(DP)分离,每个引擎负责报文解析、查表、流量管理和调度等特定功能的流水线处理,实现灵活的资源分配和高效的并行处理,能够在硬件资源限制下最大化负载均衡处理的并行度。二是直通转发技术。直通转发技术是高性能交换芯片降低处理延迟的重要手段。与传统的存储转发模式不同,直通转发允许芯片在接收完整报文前就开始处理和转发操作,能够在早期流水线阶段,让负载均衡模块能够快速访问关键字段、提取必要信息并完成计算。三是内存优化设计。内存资源是交换芯片中的宝贵资源,负载均衡和会话保持机制的内存效率直接影响芯片的成本和性能。本研究提出了一种创新的流表分离设计,将高频访问的老化状态位(sBit)与低频更新的端口和状态信息(destPort和aBit)分开存储,显著降低了内存访问冲突。另外,内存优化设计还充分考虑不同类型表项的访问模式差异,即负载均衡成员表通常较小且更新频率低,可采用全相联或组相联方式实现快速查找；聚合流表规模大但具有时间局部性,适合采用哈希表加冲突链表的组织方式；备份链路表则多为静态配置,可采用简单直接的索引结构。

　　3性能评估与结果分析

　　3.1实验方案设计

　　实验测试主要是对链路负载均衡性能和会话保持性能进行测试。链路负载均衡性能测试主要是围绕流量分配偏差率、链路带宽利用率等测试指标,测试不同负载均衡算法在均匀流量和突发流量下的流量分配均匀性,并比较改进的哈希算法与传统哈希算法、轮询算法的性能差异。会话保持性能测试重点关注会话保持成功率、流表命中率、流表资源利用率等指标,评估不同会话释放策略对系统资源占用和会话稳定性的影响,并通过对比实验验证流表管理策略与会话释放策略的有效性[5]。

　　3.2实验结果与分析

　　实验结果证明高性能交换芯片中链路负载均衡性能和会话保持性能显著提升,流量分配偏差率降低至5%以下,链路带宽利用率达到90%以上。在均匀流量测试中,改进的哈希算法的流量分配偏差率比传统哈希算法降低了20%,比轮询算法降低了30%。在突发流量测试中,改进的哈希算法能够更快地适应链路负载的变化,链路带宽利用率比传统哈希算法提高了15%,比轮询算法提高了25%。另外,在长时间会话测试中,会话保持成功率达到99.5%,流表命中率保持在95%以上。在短时间会话测试中,流表资源利用率比传统流表管理策略提高了20%,流表老化机制能够有效避免流表爆炸。实验结果表明,流表管理策略与会话释放策略能够可靠地实现会话保持,提高资源利用率。

　　4结语

　　综上所述,高性能交换芯片中的链路负载均衡与会话保持技术为网络的发展提供了更强大的支持。本研究针对高性能交换芯片中的链路负载均衡与会话保持系统,通过改进哈希算法和动态链路选择策略,提高了流量分配的均匀性和链路带宽利用率；通过流表管理策略和会话释放策略,确保了会话保持的可靠性和资源利用率,为高负载网络环境下的稳定运行奠定了坚实基础。未来,随着AI等技术的不断发展和应用,高性能交换芯片的智能化水平将进一步提升,需要结合机器学习技术,进一步优化哈希算法,实现更智能的流量分配。同时,结合深度学习算法,动态调整流表管理策略,以应对更复杂的网络环境,提升系统自适应能力,确保在高负载情况下仍能保持高效稳定的会话管理。

参考文献

　　[1]高雅.多级分组交换网络中基于负载均衡的调度算法研究[D].西安:西安电子科技大学,2025.

　　[2]张中超,邹晓明,翟献超,等.考虑负载均衡度的供电网负荷自动均衡调度系统[J].自动化技术与应用,2024,43(7):89-92.

　　[3]孙成龙.面向多核通信的片上网络负载均衡方法研究[D].合肥:合肥工业大学,2023.

　　[4]张园,曹华伟,张婕,等.面向多核CPU与GPU平台的图处理系统关键技术综述[J].计算机研究与发展,2024,61(6):1401-1428.

　　[5]陆以勤,熊欣,王猛,等.TSN中基于链路负载均衡的AVB流量带宽分配方法[J].华南理工大学学报(自然科学版),2023,51(11):1-9.