負(fù)載均衡技術(shù)在基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用

摘要：基于Internet的遠(yuǎn)程教育在實(shí)際應(yīng)用中越來越廣泛，隨之而來的就是如何解決大量的訪問量遣成的服務(wù)過載和網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。本文介紹了近年來運(yùn)用較多的負(fù)載均衡技術(shù)、算法及其在武漢大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)中的應(yīng)用，為保證基于Internet的遠(yuǎn)程教育質(zhì)量提供了一種技術(shù)可能，

關(guān)鍵詞：自載均衡；網(wǎng)絡(luò)教育；遠(yuǎn)程教育

中圖分類號：G726 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、前言

隨著Internet的應(yīng)用技術(shù)及設(shè)施的飛速發(fā)展和普及，越來越多的教學(xué)、培訓(xùn)都采用基于Internet的學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行。大規(guī)模的用戶訪問會導(dǎo)致學(xué)習(xí)平臺系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的上升，并發(fā)訪問量和數(shù)據(jù)流量的增長，相應(yīng)的處理能力和計(jì)算強(qiáng)度也迅速增大，從而會引起系統(tǒng)服務(wù)器過載、網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題。

要提高基于Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)的訪問質(zhì)量，不外乎以下幾點(diǎn)：擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)帶寬；提高單臺應(yīng)用服務(wù)器性能；使用某種策略提升整體服務(wù)系統(tǒng)性能。目前，在外部網(wǎng)絡(luò)帶寬限定的情況下，可以看到很多大型的商業(yè)門戶網(wǎng)站采用分布式服務(wù)器的方式，這需要一定規(guī)模的資金和較多的技術(shù)人員。而對于教育領(lǐng)域來說，只有有限的資金和人員的配備，因此國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)教育試點(diǎn)高校大多數(shù)采用的都是集中式服務(wù)器，同時對訪問量增長迅猛的應(yīng)用服務(wù)采取負(fù)載均衡技術(shù)的策略提升整體服務(wù)的性能。

二、負(fù)載均衡技術(shù)

負(fù)載均衡技術(shù)，就是把大量的并發(fā)訪問或數(shù)據(jù)流量分擔(dān)到多臺服務(wù)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備上分別處理，減少用戶等待響應(yīng)的時間；同時，當(dāng)其中某一個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時，能將訪問請求轉(zhuǎn)移到其它可以正常工作的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上，以此改善網(wǎng)絡(luò)性能，提高處理效率。

實(shí)現(xiàn)服務(wù)器負(fù)載均衡有多種技術(shù)方法，常見方法：

(一)DNS負(fù)載均衡技術(shù)

DNS負(fù)載均衡技術(shù)就是在DNS中為多個地址配置一個相同的域名，通過動態(tài)輪詢地址的方式使客戶機(jī)能得到其中一個地址，從而使得不同的客戶訪問不同的服務(wù)器，達(dá)到負(fù)載均衡的目的。很多知名的Web站點(diǎn)都使用該技術(shù)。DNS負(fù)載均衡的優(yōu)點(diǎn)是簡單、易行，并且服務(wù)器可以在互聯(lián)網(wǎng)的任意位置上。

它的缺點(diǎn)在于：首先，域名服務(wù)器無法知道服務(wù)節(jié)點(diǎn)是否有效，如果服務(wù)節(jié)點(diǎn)失敗，域名系統(tǒng)依然會將域名解析到該節(jié)點(diǎn)上，造成用戶訪問失敗；其次，只能實(shí)現(xiàn)對基于Internet域名請求的負(fù)載均衡，對于基于IP地址的請求則不起作用。

(二)代理服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)

使用代理服務(wù)器，可以將請求轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部的服務(wù)器，使用這種加速模式顯然可以提升靜態(tài)網(wǎng)頁的訪問速度。使用這樣一種技術(shù)，代理服務(wù)器將請求均勻轉(zhuǎn)發(fā)給多臺服務(wù)器，從而達(dá)到負(fù)載均衡的目的。這種代理方式與普通的代理方式有所不同，標(biāo)準(zhǔn)代理方式是客戶使用代理訪問多個外部服務(wù)器，而這種代理方式是代理多個客戶訪問內(nèi)部服務(wù)器，因此也被稱為反向代理模式。雖然實(shí)現(xiàn)這個任務(wù)并不算是特別復(fù)雜，然而由于要求特別高的效率，實(shí)現(xiàn)起來并不簡單。

使用反向代理的好處是，可以將負(fù)載均衡和代理服務(wù)器的高速緩存技術(shù)結(jié)合在一起，提供有益的性能。然而它本身也存在一些問題，就是必須為每一種服務(wù)都專門開發(fā)一個反向代理服務(wù)器，這就不是一個輕松的任務(wù)。

代理服務(wù)器本身雖然可以達(dá)到很高效率，但是針對每一次代理，代理服務(wù)器就必須維護(hù)兩個連接，一個對外的連接，一個對內(nèi)的連接，因此對于特別高的連接請求，代理服務(wù)器的負(fù)載也就非常之大。反向代理方式下能應(yīng)用優(yōu)化的負(fù)載均衡策略，每次訪問最空閑的內(nèi)部服務(wù)器來提供服務(wù)。但是隨著并發(fā)連接數(shù)量的增加，代理服務(wù)器本身的負(fù)載也變得非常大，最后反向代理服務(wù)器本身會成為服務(wù)的瓶頸。

(三)OSI網(wǎng)絡(luò)模型的負(fù)載均衡技術(shù)

針對網(wǎng)絡(luò)上負(fù)載過重的不同瓶頸所在，從網(wǎng)絡(luò)的不同層次人手，可以采用相應(yīng)的負(fù)載均衡技術(shù)來解決現(xiàn)有問題。

1.鏈路聚合技術(shù)

隨著帶寬增加，數(shù)據(jù)流量不斷增大，網(wǎng)絡(luò)核心部分的數(shù)據(jù)接口將面臨瓶頸問題，原有的單一線路將很難滿足需求，而且線路的升級又過于昂貴甚至難以實(shí)現(xiàn)，這時就可以考慮采用鏈路聚合(Trunking)技術(shù)。

鏈路聚合技術(shù)(即第二層負(fù)載均衡)將多條物理鏈路當(dāng)作一條單一的聚合邏輯鏈路使用，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量由聚合邏輯鏈路中所有物理鏈路共同承擔(dān)，由此在邏輯上增大了鏈路的容量，使其能滿足帶寬增加的需求。

2.基于網(wǎng)絡(luò)第四層的地址轉(zhuǎn)換技術(shù)

現(xiàn)代負(fù)載均衡技術(shù)通常操作于網(wǎng)絡(luò)的第四層。第四層負(fù)載均衡將一個Internet上合法注冊的IP地址映射為多個內(nèi)部服務(wù)器的IP地址，對每次TCP連接請求動態(tài)使用其中一個內(nèi)部IP地址，達(dá)到負(fù)載均衡的目的。在第四層交換機(jī)中，此種均衡技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，一個目標(biāo)地址是服務(wù)器群VIP(虛擬IP，Virtual IP address)連接請求的數(shù)據(jù)包流經(jīng)交換機(jī)，交換機(jī)根據(jù)源端和目的IP地址、TcP或uDP端口號和一定的負(fù)載均衡策略，在服務(wù)器IP和VIP間進(jìn)行映射，選取服務(wù)器群中最好的服務(wù)器來處理連接請求。在已有的IP負(fù)載均衡技術(shù)中有通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(Network AddressTranslation)將一組服務(wù)器構(gòu)成一個高性能的、高可用的虛擬服務(wù)器，我們稱之為Vs／NAT技術(shù)(Virtual Server via Network Address Trans－lation)，大多數(shù)商品化的IP負(fù)載均衡調(diào)度器產(chǎn)品都是使用此方法，如Cisco的LocalDirector、F5的Big／IP和Alteon的A CEDirector。在分析VS／NAT的缺點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的非對稱性的基礎(chǔ)上，后又提出通過IP隧道實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器的方法VS／TUN(Virtual Server via IP Tunneling)，和通過直接路由實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器的方法VS／DR(Virtual Server via Direct Routing)，它們可以極大地提高系統(tǒng)的伸縮性。

三、負(fù)載均衡算法

在負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)用優(yōu)劣中，有一個關(guān)鍵的因素，即負(fù)載均衡的算法。合理的負(fù)載均衡算法，是在考慮到服務(wù)請求的不同類型、服務(wù)器的不同處理能力以及隨機(jī)選擇造成的負(fù)載分配不均勻等問題的基礎(chǔ)上，更加合理的把負(fù)載分配給內(nèi)部的多個服務(wù)器。負(fù)載均衡算法有：

1.輪詢策略：依次將用戶請求輪流分發(fā)給各個服務(wù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最適合會產(chǎn)生大量長連接的應(yīng)用。

2.加權(quán)的輪詢策略：按照服務(wù)結(jié)點(diǎn)的權(quán)重順序?qū)⒂脩粽埱筝喠鞣职l(fā)給各個服務(wù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最適合會產(chǎn)生大量長連接的應(yīng)用。

3.最少連接數(shù)策略：將用戶請求優(yōu)先分發(fā)給連接數(shù)少的服務(wù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最適合對連接數(shù)據(jù)有限制的應(yīng)用。

4.加權(quán)最小連接數(shù)策略：按照服務(wù)結(jié)點(diǎn)的權(quán)重順序?qū)⒂脩粽埱髢?yōu)先分發(fā)給連接數(shù)少的服務(wù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最適合對連接數(shù)據(jù)有限制的應(yīng)用。

5.基于請求位置的最小連接數(shù)策略：主要用于緩存服務(wù)器中，它可以將發(fā)往相同目的地址的請求都交由相同的服務(wù)器進(jìn)行處理，如果改服務(wù)結(jié)點(diǎn)過載，則轉(zhuǎn)由連接數(shù)最少的服務(wù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。

6.帶復(fù)制的基于請求位置的最小連接數(shù)策略：也主要用于緩存服務(wù)器中，和上一種方法的區(qū)別在于：前置結(jié)點(diǎn)會維護(hù)一個到目的地址可達(dá)的服務(wù)結(jié)點(diǎn)的列表。當(dāng)有用戶請求到達(dá)時，前置結(jié)點(diǎn)會將其交由這組服務(wù)結(jié)點(diǎn)中連接數(shù)最少的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。如果這組服務(wù)結(jié)點(diǎn)全部過載，則選擇一個負(fù)載輕的服務(wù)器加入這組服務(wù)器中。

7.目的地址哈希法：前置結(jié)點(diǎn)維護(hù)目的地址和服務(wù)結(jié)點(diǎn)關(guān)系的一個哈希表，通過查找改表決定由哪個服務(wù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最適合需要大量資源而又可重復(fù)利用計(jì)算結(jié)果的應(yīng)用。

8.源地址哈希法：前置結(jié)點(diǎn)維護(hù)源地址和服務(wù)結(jié)點(diǎn)關(guān)系的一個哈希表，通過查找改表決定由哪個服務(wù)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，最適合需要進(jìn)行連續(xù)操作的應(yīng)用。

四、負(fù)載均衡策略在基于Internet的遠(yuǎn)程教育中的具體應(yīng)用

在此系統(tǒng)中，我們采用的是服務(wù)器集群的模式，服務(wù)器集群通過千兆交換機(jī)和防火墻及路由與外網(wǎng)連接。考慮到學(xué)習(xí)平臺的訪問量隨著用戶數(shù)量的增多而不斷加大，因此用2臺web服務(wù)器組成一個域，專門提供學(xué)習(xí)平臺的應(yīng)用，并且對這2臺web服務(wù)器做負(fù)載均衡。整個學(xué)習(xí)平臺服務(wù)群負(fù)載均衡的結(jié)構(gòu)有三層，即：負(fù)載均衡節(jié)點(diǎn)、Web服務(wù)器(學(xué)習(xí)平臺1和學(xué)習(xí)平臺2)、共享存儲(光纖存儲)。

負(fù)載均衡功能由專門的負(fù)載均衡器結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，它位于學(xué)習(xí)平臺服務(wù)器群和用戶之間，負(fù)責(zé)接收用戶的請求，并根據(jù)一定的機(jī)制合理地將用戶請求分發(fā)到2個學(xué)習(xí)平臺服務(wù)結(jié)點(diǎn)上進(jìn)行處理。在各種負(fù)載均衡機(jī)制中，網(wǎng)絡(luò)第四層負(fù)載均衡機(jī)制(即IP負(fù)載均衡技術(shù))的靈活性、通用性最好，而且效率也較高，是實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡比較理想的方式，此系統(tǒng)中的負(fù)載均衡模塊就是結(jié)合這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡功能。如上文介紹的，IP負(fù)載均衡技術(shù)有3種報文轉(zhuǎn)發(fā)方式，我們使用了VS／DR(Virtual Server via Direct Routing)即直接路由技術(shù)。VS／DR通過改寫請求報文的MAC地址，將請求發(fā)送到真實(shí)服務(wù)器，而真實(shí)服務(wù)器將響應(yīng)直接返回給客戶。也就是說，在這種結(jié)構(gòu)中，負(fù)載均衡節(jié)點(diǎn)只處理用戶訪問學(xué)習(xí)平臺這個請求的報文，而學(xué)習(xí)平臺服務(wù)器對其應(yīng)答不是通過負(fù)載均衡節(jié)點(diǎn)出去的，是通過自己的網(wǎng)關(guān)外發(fā)回去。這樣，負(fù)載均衡節(jié)點(diǎn)節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答的大量時間，降低了負(fù)載均衡節(jié)點(diǎn)本身的負(fù)載，使得整個學(xué)習(xí)平臺負(fù)載均衡的吞吐量擴(kuò)大。

負(fù)載均衡模塊提供了多種算法，根據(jù)我們學(xué)習(xí)平臺的應(yīng)用，采取了最少連接數(shù)的算法，并對這2臺服務(wù)器進(jìn)行了自動權(quán)重的設(shè)置。

采用了負(fù)載均衡策略后，我們發(fā)現(xiàn)對于學(xué)習(xí)平臺的大量訪問請求就不會集中在某一個服務(wù)器上，有效地解決了網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，能夠就近提供服務(wù)，提高服務(wù)器及其他資源的利用效率，從而為用戶提供了更好的訪問質(zhì)量。

總之，隨著基于Internet的遠(yuǎn)程教育的應(yīng)用需求日漸增加，負(fù)載均衡技術(shù)的運(yùn)用以較低成本消除網(wǎng)絡(luò)瓶頸，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性，為保證遠(yuǎn)程教育的質(zhì)量提供了可能。當(dāng)然，實(shí)際運(yùn)用中，還要結(jié)合自己的服務(wù)應(yīng)用需求，要綜合考慮負(fù)載均衡技術(shù)的性能、可擴(kuò)展性、靈活性、可靠性和易管理性。

責(zé)任編輯 姜 雪