【LINUX】Linux网卡绑定探析

现在很多服务器都自带双千兆网口，利用网卡绑定既能增加网络带宽，同时又能做相应的冗余，目前应用于很多的场景。Linux操作系统下自带的网卡绑定模式，linux bonding驱动提供了一个把多个网络接口设备捆绑为单个网络接口设置来使用，用于网络负载均衡及网络冗余。当然现在网卡产商也会出一些针对windows操作系统网卡管理软件来做网卡绑定（windows操作系统没有网卡绑定功能 需要第三方支持）。

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一、 Bonding的应用

1、 网络负载均衡

对于bonding的网络负载均衡是我们在文件服务器中常用到的，比如把三块网卡，当做一块来用，解决一个IP地址，流量过大，服务器网络压力过大的问题。如果在内网中，文件服务器为了管理和应用上的方便，大多是用同一个IP地址。对于一个百M的本地网络来说，文件服务器在多个用户同时使用的情况下，网络压力是极大的，为了解决同一个IP地址，突破流量的限制，毕竟网线和网卡对数据的吞吐量是有限制的。如果在有限的资源的情况下，实现网络负载均衡，最好的办法就是bonding 。

2、 网络冗余

对于服务器来说，网络设备的稳定也是比较重要的，特别是网卡。大多通过硬件设备的冗余来提供服务器的可靠性和安全性，比如电源。bonding 也能为网卡提供冗余的支持。把网个网卡绑定到一个IP地址，当一块网卡发生物理性损坏的情况下，另一块网卡也能提供正常的服务。

二、 Bonding的原理

什么是bonding需要从网卡的混杂(promisc)模式说起。我们知道，在正常情况下，网卡只接收目的硬件地址(MAC Address)是自身Mac的以太网帧，对于别的数据帧都滤掉，以减轻驱动程序的负担。但是网卡也支持另外一种被称为混杂promisc的模式，可以接 收网络上所有的帧，比如说tcpdump，就是运行在这个模式下。bonding也运行在这个模式下，而且修改了驱动程序中的mac地址，将两块网卡的 Mac地址改成相同，可以接收特定mac的数据帧。然后把相应的数据帧传送给bond驱动程序处理。

三、 Bonding的模式

linux有七种网卡绑定模式：

模式代号	模式名称	模式方式	说明
0	(balance-rr) Round-robin policy	轮询策略	该策略是按照设备顺序依次传输数据包，直到最后一个设备。这种模式提供负载均衡和容错能力。
1	(active-backup) Active-backup policy	主备策略	该策略只有一个设备处于活动状态。 一个宕掉另一个马上由备份转换为主设备。mac地址是外部可见的。 此模式提供了容错能力。
2	(balance-xor) XOR policy	异或策略	该策略是根据MAC地址异或运算的结果来选择传输设备，提供负载均衡和容错能力。
3	Broadcast policy	广播策略	该策略将所有数据包传输给所有接口通过全部设备来传输所有数据，提供容错能力。
4	(802.3ad) IEEE 802.3ad Dynamic link aggregation	动态链接聚合	该策略通过创建聚合组来共享相同的传输速度，需要交换机也支持 802.3ad 模式，提供容错能力。
5	(balance-tlb) Adaptive transmit load balancing	适配器传输负载均衡	该策略是根据当前的负载把发出的数据分给每一个设备，由当前使用的设备处理收到的数据。本策略的通道联合不需要专用的交换机支持，提供负载均衡和容错能力。
6	(balance-alb) Adaptive load balancing	适配器负载均衡	该策略在IPV4情况下包含适配器传输负载均衡策略，由ARP协商完成接收的负载，通道联合驱动程序截获ARP在本地系统发送出的请求，用其中一个设备的硬件地址覆盖从属设备的原地址。

 

第一种：bond0:round robin

1、 标准文档描述

round-robin policy: Transmit packets in sequential order from the first available slave through the last. This mode provides load balancing and fault tolerance.

2、 特点

• ? 负载均衡---所有链路处于负载均衡状态，轮询方式往每条链路发送报文，基于per packet方式发送。传输数据包顺序是依次传输（即：第1个包走eth0，下一个包就走eth2....一直循环下去，直到最后一个传输完毕）。在一个双网卡绑定的机器上ping一个地址，你会发现两个网卡都有流量发出。负载到两条链路上，说明是基于per packet方式进行轮询发送。
• ? 容错能力---这模式的特点增加了带宽，同时支持容错能力，当有链路出问题，会把流量切换到正常的链路上。
• ? 性能问题---一个连接或者会话的数据包如果从不同的接口发出的话，中途再经过不同的链路，在客户端很有可能会出现数据包无序到达的问题，而无序到达的数据包需要重新要求被发送，这样网络的吞吐量就会下降。Bond0在大压力的网络传输下，性能增长的并不是很理想。
• ? 交换机支持---该模式下，由于绑定的所有网卡的IP都被修改为同一个MAC地址。此时交换机收到发往该MAC地址的数据包时，将不知道从对应的哪个端口转发该数据，为了解决交换机的这个问题，交换机应做端口绑定，将数据发往逻辑聚合端口，之后由聚合端口从多个端口转发数据。

 

第二种：bond1:active-backup

1、 标准文档描述

Active-backup policy: Only one slave in the bond is active. A different slave becomes active if， and only if， the active slave fails. The bond’s MAC address is externally visible on only one port (network adapter) to avoid confusing the switch. This mode provides fault tolerance. The primary option affects the behavior of this mode.

2、 特点

• ? 容错能力---只有一个slave是激活的(active)。也就是说同一时刻只有一个网卡处于工作状态，其他的slave都处于备份状态，只有在当前激活的slave故障后才有可能会变为激活的(active)。在bonding 2.6.2和以后的版本中，如果在active-backup模式下出现failover【译注：指一个slave发生故障，另一个slave变为激活的设备】，bonding将会在新的slave上发出一个或多个ARP请求，其中一个ARP请求针对bonding master接口及它上面配置的每个VLAN接口，从而保证该接口至少配置了一个IP地址。针对VLAN接口的ARP请求将会被打上相应的VLAN id。
• ? 无负载均衡---此算法的优点是可以提供高网络连接的可用性，但是它的资源利用率较低，只有一个接口处于工作状态，在有 N 个网络接口的情况下，资源利用率为1/N。
• ? 无需交换机支持--- MAC地址是外部可见得，从外面看来，bond的MAC地址是唯一的，以避免switch(交换机)发生混乱。

第三种：bond2:load balancing (xor)

1、 标准文档描述

XOR policy: Transmit based on [(source MAC address XOR'd with destination MAC address) modulo slave count]. This selects the same slave for each destination MAC address. This mode provides load balancing and fault tolerance.

2、 特点

• ? 负载均衡和容错能力---基于指定的传输HASH策略传输数据包。缺省的策略是：(源MAC地址 XOR 目标MAC地址) % slave数量。其他的传输策略可以通过xmit_hash_policy选项指定。
• ? 性能问题---该模式将限定流量，以保证到达特定对端的流量总是从同一个接口上发出。既然目的地是通过MAC地址来决定的，因此该模式在“本地”网络配置下可以工作得很好。如果所有流量是通过单个路由器（比如 “网关”型网络配置，只有一个网关时，源和目标mac都固定了，那么这个算法算出的线路就一直是同一条，那么这种模式就没有多少意义了。），那该模式就不是最好的选择。
• ? 交换机支持---和balance-rr一样，交换机端口需要能配置为“port channel”。这模式是通过源和目标mac做hash因子来做xor算法来选路的。

第四种：bond3:fault-tolerance (broadcast)

1、 标准文档描述

Broadcast policy: transmits everything on all slave interfaces. This mode provides fault tolerance.

2、 特点

这种模式的特点是一个报文会复制两份往bond下的两个接口分别发送出去，当有对端交换机失效，我们感觉不到任何downtime，但此法过于浪费资源；不过这种模式有很好的容错机制。此模式适用于金融行业，因为他们需要高可靠性的网络，不允许出现任何问题。

 

第五种：bond4:lacp

1、 标准文档描述

IEEE 802.3ad Dynamic link aggregation. Creates aggregation groups that share the same speed and duplex settings. Utilizes all slaves in the active aggregator according to the 802.3ad specification. Pre-requisites: 1. Ethtool support in the base drivers for retrieving.the speed and duplex of each slave. 2. A switch that supports IEEE 802.3ad Dynamic link aggregation. Most switches will require some type of configuration to enable 802.3ad mode.

2、 特点

802.3ad模式是IEEE标准，因此所有实现了802.3ad的对端都可以很好的互操作。802.3ad 协议包括聚合的自动配置，因此只需要很少的对交换机的手动配置（要指出的是，只有某些设备才能使用802.3ad）。802.3ad标准也要求帧按顺序（一定程度上）传递，因此通常单个连接不会看到包的乱序。802.3ad也有些缺点：标准要求所有设备在聚合操作时，要在同样的速率和双工模式，而且，和除了balance-rr模式外的其它bonding负载均衡模式一样，任何连接都不能使用多于一个接口的带宽。

此外，linux bonding的802.3ad实现通过对端来分发流量（通过MAC地址的XOR值），因此在“网关”型配置下，所有外出（Outgoing）流量将使用同一个设备。进入（Incoming）的流量也可能在同一个设备上终止，这依赖于对端802.3ad实现里的均衡策略。在“本地”型配置下，路两将通过 bond里的设备进行分发。

band4是要求参与绑定的端口都运行802.3ad协议。该方式与band0很相似，但是又有区别。在IEEE802.3ad中，“链路聚合控制协议（LACP）”自动通知交换机应该聚合哪些端口，IEEE802.3ad聚合配置之后，链路聚合控制协议单元（LACPDU）就会在服务器和交换机之间进行交换，LACP会通知交换机在聚合中配置的适配器应作为交换机上的一个适配器来考虑，而不再有用户的干预。（按照协议应当如此，但是H3C5500-EI交换机上并未发现有单独启用802.3ad或LACP的命令，而聚合组中的静态聚合的所有端口均不启用LACP协议，所以如果按照band4的模式操作的话，建议在交换机上手工做动态端口聚合，且手工指定全局报文按照源MAC和目的MAC地址进行聚合负载分担。）根据IEEE802.3ad的规范，前往相同IP地址的数据包都会通过相同的适配器进行发送。因此当在802.3ad方式下操作时，信息包会始终按照标准（standard）的方式进行分发，而不会按照轮询（Round-Robin）方式进行分发。

 

 

3、 交换机端配置

interface AggregatePort 1 配置聚合口 interface GigabitEthernet 0/23 port-group 1 mode active 接口下开启lacp 主动模式 interface GigabitEthernet 0/24 port-group 1 mode active

4、 必要条件

条件1：ethtool支持获取每个slave的速率和双工设定 条件2：switch(交换机)支持IEEE 802.3ad Dynamic link aggregation 条件3：大多数switch(交换机)需要经过特定配置才能支持802.3ad模式

第六种：bond5: transmit load balancing

1、 标准文档描述

Adaptive transmit load balancing: channel bonding that does not require any special switch support. The outgoing traffic is distributed according to the current load (computed relative to the speed) on each slave. Incoming traffic is received by the current slave. If the receiving slave fails， another slave takes over the MAC address of the failed receiving slave. Prerequisite: Ethtool support in the base drivers for retrieving the speed of each slave.

2、 特点

balance-tlb模式通过对端均衡外出（outgoing）流量。既然它是根据MAC地址进行均衡，在“网关”型配置（如上文所述）下，该模式会通过单个设备来发送所有流量，然而，在“本地”型网络配置下，该模式以相对智能的方式（不是balance-xor或802.3ad模式里提及的XOR方式）来均衡多个本地网络对端，因此那些数字不幸的MAC地址（比如XOR得到同样值）不会聚集到同一个接口上。

不像802.3ad，该模式的接口可以有不同的速率，而且不需要特别的交换机配置。不利的一面在于，该模式下所有进入的（incoming）流量会到达同一个接口；该模式要求slave接口的网络设备驱动有某种ethtool支持；而且ARP监控不可用。

 

第七种：bond6:adaptive load balancing

1、 
特点

该模式包含了balance-tlb模式，同时加上针对IPV4流量的接收负载均衡(receive load balance， rlb)，而且不需要任何switch(交换机)的支持。接收负载均衡是通过ARP协商实现的。bonding驱动截获本机发送的ARP应答，并把源硬件地址改写为bond中某个slave的唯一硬件地址，从而使得不同的对端使用不同的硬件地址进行通信。所有端口都会收到对端的arp请求报文，回复arp回时，bond驱动模块会截获所发的arp回复报文，根据算法算到相应端口，这时会把arp回复报文的源mac，send源mac都改成相应端口mac。从抓包情况分析回复报文是第一个从端口1发，第二个从端口2发。以此类推。

(还有一个点：每个端口除发送本端口回复的报文，也同样会发送其他端口回复的报文，mac还是其他端口的mac)这样来自服务器端的接收流量也会被均衡。

当本机发送ARP请求时，bonding驱动把对端的IP信息从ARP包中复制并保存下来。当ARP应答从对端到达时，bonding驱动把它的硬件地址提取出来，并发起一个ARP应答给bond中的某个slave(这个算法和上面一样，比如算到1口，就给发送arp请求，1回复时mac用1的mac)。使用ARP协商进行负载均衡的一个问题是：每次广播 ARP请求时都会使用bond的硬件地址，因此对端学习到这个硬件地址后，接收流量将会全部流向当前的slave。这个问题通过给所有的对端发送更新（ARP应答）来解决，往所有端口发送应答，应答中包含他们独一无二的硬件地址，从而导致流量重新分布。当新的slave加入到bond中时，或者某个未激活的slave重新激活时，接收流量也要重新分布。接收的负载被顺序地分布（round robin）在bond中最高速的slave上。

当某个链路被重新接上，或者一个新的slave加入到bond中，接收流量在所有当前激活的slave中全部重新分配，通过使用指定的MAC地址给每个 client发起ARP应答。下面介绍的updelay参数必须被设置为某个大于等于switch(交换机)转发延时的值，从而保证发往对端的ARP应答不会被switch(交换机)阻截。

当集群的机器数量较少，或者机器跨VLAN或者经过路由时，模式6就起不到很好的效果。mod=6与mod=0的区别：mod=6，先把eth0流量占满，再占eth2，....ethX；而mod=0的话，会发现2个口的流量都很稳定，基本一样的带宽。而mod=6，会发现第一个口流量很高，第2个口只占了小部分流量。

2、 必要条件

条件1：ethtool支持获取每个slave的速率；

条件2：底层驱动支持设置某个设备的硬件地址，从而使得总是有个slave(curr_active_slave)使用bond的硬件地址，同时保证每个bond 中的slave都有一个唯一的硬件地址。如果curr_active_slave出故障，它的硬件地址将会被新选出来的 curr_active_slave接管。

四、 Bonding参数介绍

参数	说明
max_bonds	为bonding驱动指定创建bonding设备的数量。比如，如果max_bonds为3，而且bonding驱动还没有加载，那么bond0，bond1，bond2将会被创建。缺省值为1。
lacp_rate	指定在802.3ad模式下，我们希望的链接对端传输LACPDU包的速率。可能的选项： slow 或者 0 请求对端每30s传输LACPDU fast 或者 1 请求对端每1s传输LACPDU 缺省值是slow
downdelay	指定一个时间，用于在发现链路故障后，等待一段时间然后禁止一个slave，单位是毫秒(ms)。该选项只对miimon监控有效。downdelay值应该是miimon值的整数倍，否则它将会被取整到最接近的整数倍。缺省值为0。
arp_ip_target	指定一组IP地址用于ARP监控的目标，它只在arp_interval > 0时有效。这些IP地址是ARP请求发送的目标，用于判定到目标地址的链路是否工作正常。多个IP地址通过逗号分隔。至少指定一个IP地址。最多可以指定16个IP地址。缺省值是没有IP地址。
arp_interval	指定ARP链路监控频率，单位是毫秒(ms)。如果APR监控工作于以太兼容模式（模式0和模式2）下，需要把switch(交换机)配置为在所有链路上均匀的分发网络包。如果switch(交换机)被配置为以XOR方式分发网络包，所有来自ARP目标的应答将会被同一个链路上的其他设备收到，这将会导致其他设备的失败。ARP监控不应该和miimon同时使用。设定为0将禁止ARP监控。缺省值为0。
miimon	指定MII链路监控频率，单位是毫秒(ms)。这将决定驱动检查每个slave链路状态频率。0表示禁止MII链路监控。100可以作为一个很好的初始参考值。缺省值为0。
mode	指定bonding的策略。缺省是balance-rr （round robin，轮询策略）。
primary	指定哪个slave成为主设备（primary device），取值为字符串，如eth0，eth2等。只要指定的设备可用，它将一直是激活的slave。只有在主设备（primary device）断线时才会切换设备。这在希望某个slave设备优先使用的情形下很有用，比如，某个slave设备有更高的吞吐率。 primary选项只对active-backup模式有效。
updelay	指定当发现一个链路恢复时，在激活该链路之前的等待时间，以毫秒计算。该选项只对miimon链路侦听有效。updelay应该是miimon值的整数倍，如果不是，它将会被向下取整到最近的整数。缺省值为0。
use_carrier	指定miimon是否需要使用MII或者ETHTOOL ioctls还是netif_carrier_ok()来判定链路状态。MII或ETHTOOL ioctls更低效一些，而且使用了内核里废弃的旧调用序列；而netif_carrier_ok()依赖于设备驱动来维护状态（判断载波），在本文写作时，大多数但不是全部设备驱动支持这个特性。 如果bonding总是认为链路是通的，但实际上是断的，这有可能是由于你的网络设备驱动不支持netif_carrier_on/off。因为 netif_carrier的缺省状态是"carrier on"，因此如果驱动不支持netif_carrier，则会显示链路永远正常。在这种情况下，把use_carrier设为0，从而让bonding使用MII/ETHTOOL ictl来判定链路状态。 该选项设为1会使用netif_carrier_ok()，而设为0则会使用废弃的MII/ETHTOOL ioctls，缺省值是1。
xmit_hash_policy	在balance-xor和802.3ad模式下选择不同的hash模式，以用于slave选举。可能的取值有： layer2 使用硬件MAC地址的XOR来生成hash。公式为： (源MAC地址 XOR 目的MAC地址）% slave数目 该算法会将某个网络对（network peer）上所有的流量全部分配到同一个slave上。 layer3+4 该策略在可能的时候使用上层协议的信息来生成hash。这将允许特定网络对（network peer）的流量分摊到多个slave上，尽管同一个连接（connection）不会分摊到多个slave上。 针对未分片的TCP和UDP包的计算公式为： ((源端口 XOR 目的端口) XOR ((源IP XOR 目的IP) AND 0xFFFF) % slave数目 对于已分片TCP或UDP包，以及其他的IP包，源端口和目的端口的信息被忽略了；对于非IP流量，采用和layer2一样的hash策略。 该策略期望模仿某些交换机的行为，比如带PFC2的Cisco交换机，以及某些Foundry和IBM的产品。 该算法不完全适应802.3ad，一个单一的TCP或UDP会话同时包含有分片和未分片的包将会导致包在两个接口上传递，这将会导致投递乱序。大多数流量不会满足这种条件，正如TCP很少分片，而大多数UDP流量不会在长期的会话中存在。其他的802.3ad实现有可能不能容忍这样的不适应性。 缺省设置是layer2。该选项在bonding 2.6.3加入，在早期版本中，该参数不存在，只只是layer2策略。

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