負(fù)載均衡在服務(wù)器群中的應(yīng)用

摘要：服務(wù)器是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的主要角色，除了用于信息管理、資源共享、資料檢索外，還承擔(dān)著信息交流、電子郵件、新聞發(fā)布，以及各種公共網(wǎng)絡(luò)口的訪問等任務(wù)。由于在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒉恢皇菙?shù)字、文字和圖形，隨著應(yīng)用水平的提高，逐步增加語音、動(dòng)態(tài)圖像及視頻圖像等高帶寬的應(yīng)用，因此對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器群的安全性和訪問速度也有很高的要求。在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器群中應(yīng)用負(fù)載均衡技術(shù)是一種廉價(jià)的解決方案。

關(guān)鍵詞：負(fù)載均衡；服務(wù)器群；網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TP368.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)36-2841-03

On the Application of Load Equilibrium in Servers

ZHANG Li

(Guangdong Women's Polytechnic College，Guangzhou 511450，China)

Abstract: Server plays an important role in computer network， not only be used to manage information， share resources and search data， but executes some task such as communion of information， e-mail， issuance of news， accessing to varieties of common network ports， and so on. The information transmitted on the internet is not number， letter and figure， with the level of application enhanced， and the application of sound， action shot and video images is increased， so these is a strict request for the safety and visiting speed of the internet servers. The application of load equilibrium technology is a low-cost resolvent in internet servers.

Key words: Load Balance; Servers; Network Address Translation

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)功能的不斷完善，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的訪問量和數(shù)據(jù)流量也在快速增長，其處理能力和計(jì)算強(qiáng)度也相應(yīng)增大，使得單一設(shè)備根本無法承擔(dān)。在此情況下，如果淘汰現(xiàn)有設(shè)備去做大量的硬件升級，這樣將造成現(xiàn)有資源的浪費(fèi)，而且如果再面臨下一次業(yè)務(wù)量的提升，這又將導(dǎo)致再一次硬件升級的高額成本投入，甚至性能再卓越的設(shè)備也不能滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)量的需求。通過增加服務(wù)器數(shù)量，構(gòu)成服務(wù)器群，來解決提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能和數(shù)據(jù)流量增大后的訪問需求，是一種比較實(shí)際的解決方案。于是，負(fù)載均衡機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生。

負(fù)載均衡建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上，它提供了一種廉價(jià)、有效、透明的方法擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、增加吞吐量、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。負(fù)載均衡有兩方面的含義：首先，大量的并發(fā)訪問或數(shù)據(jù)流量分擔(dān)到多臺節(jié)點(diǎn)設(shè)備上分別處理，減少用戶等待響應(yīng)的時(shí)間；其次，單個(gè)重負(fù)載的運(yùn)算分擔(dān)到多臺節(jié)點(diǎn)設(shè)備上做并行處理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備處理結(jié)束后，將結(jié)果匯總，返回給用戶，系統(tǒng)處理能力得到大幅度提高。

為了更好地介紹負(fù)載均衡技術(shù)，本文從負(fù)載均衡技術(shù)分類、TCP（傳輸控制協(xié)議，Transmission Control Protocol）負(fù)載均衡地址轉(zhuǎn)換、TCP負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行描述。

1 負(fù)載均衡技術(shù)分類

目前有許多不同的負(fù)載均衡技術(shù)用以滿足不同的應(yīng)用需求，下面從負(fù)載均衡所采用的設(shè)備對象、應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)層次（指OSI參考模型）及應(yīng)用的地理結(jié)構(gòu)等來分類。

1.1 軟、硬件負(fù)載均衡

軟件負(fù)載均衡解決方案是指在一臺或多臺服務(wù)器相應(yīng)的操作系統(tǒng)上安裝一個(gè)或多個(gè)附加軟件來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，如DNS Load Balance，CheckPoint Firewall-1，ConnectControl等，它的優(yōu)點(diǎn)是基于特定環(huán)境，配置簡單，使用靈活，成本低廉，可以滿足一般的負(fù)載均衡需求。

軟件解決方案缺點(diǎn)也較多，因?yàn)槊颗_服務(wù)器上安裝額外的軟件，運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗系統(tǒng)不定量的資源，越是功能強(qiáng)大的模塊，消耗得越多，所以當(dāng)連接請求特別大的時(shí)候，軟件本身會(huì)成為服務(wù)器工作成敗的一個(gè)關(guān)鍵；軟件可擴(kuò)展性并不是很好，受到操作系統(tǒng)的限制；由于操作系統(tǒng)本身的Bug，往往會(huì)引起安全問題。

硬件負(fù)載均衡解決方案是直接在服務(wù)器和外部網(wǎng)絡(luò)間安裝負(fù)載均衡設(shè)備，這種設(shè)備我們通常稱之為負(fù)載均衡器，由于專門的設(shè)備完成專門的任務(wù)，獨(dú)立于操作系統(tǒng)，整體性能得到大量提高，加上多樣化的負(fù)載均衡策略，智能化的流量管理，可達(dá)到最佳的負(fù)載均衡需求。

負(fù)載均衡器有多種多樣的形式，除了作為獨(dú)立意義上的負(fù)載均衡器外，有些負(fù)載均衡器集成在交換設(shè)備中，置于服務(wù)器與Internet鏈接之間，有些則以兩塊網(wǎng)絡(luò)適配器將這一功能集成到PC中，一塊連接到Internet上，一塊連接到后端服務(wù)器群的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上。一般而言，硬件負(fù)載均衡在功能、性能上優(yōu)于軟件方式，不過成本昂貴。

1.2 本地、全局負(fù)載均衡

負(fù)載均衡從其應(yīng)用的地理結(jié)構(gòu)上分為本地負(fù)載均衡(Local Load Balance)和全局負(fù)載均衡(Global Load Balance，也叫地域負(fù)載均衡)，本地負(fù)載均衡是指對本地的服務(wù)器群做負(fù)載均衡，全局負(fù)載均衡是指對分別放置在不同的地理位置、有不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的服務(wù)器群間作負(fù)載均衡。

本地負(fù)載均衡能有效地解決數(shù)據(jù)流量過大、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過重的問題，并且不需花費(fèi)昂貴開支購置性能卓越的服務(wù)器，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，避免服務(wù)器單點(diǎn)故障造成數(shù)據(jù)流量的損失。其有靈活多樣的均衡策略把數(shù)據(jù)流量合理地分配給服務(wù)器群內(nèi)的服務(wù)器共同負(fù)擔(dān)。即使是再給現(xiàn)有服務(wù)器擴(kuò)充升級，也只是簡單地增加一個(gè)新的服務(wù)器到服務(wù)群中，而不需改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、停止現(xiàn)有的服務(wù)。

全局負(fù)載均衡主要用于在一個(gè)多區(qū)域擁有自己服務(wù)器的站點(diǎn)，為了使全球用戶只以一個(gè)IP地址或域名就能訪問到離自己最近的服務(wù)器，從而獲得最快的訪問速度，也可用于子公司分散站點(diǎn)分布廣的大公司通過Intranet（企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)）來達(dá)到資源統(tǒng)一合理分配的目的。

全局負(fù)載均衡有以下的特點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)地理位置無關(guān)性，能夠遠(yuǎn)距離為用戶提供完全的透明服務(wù)。

2）除了能避免服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等的單點(diǎn)失效，也能避免由于ISP專線故障引起的單點(diǎn)失效。

3）解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，提高服務(wù)器響應(yīng)速度，服務(wù)就近提供，達(dá)到更好的訪問質(zhì)量。

1.3 不同網(wǎng)絡(luò)層次上的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡

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(shí)就可以考慮采用鏈路聚合（Trunking）技術(shù)。

鏈路聚合技術(shù)（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。

現(xiàn)代負(fù)載均衡技術(shù)通常操作于網(wǎng)絡(luò)的第四層或第七層。第四層負(fù)載均衡將一個(gè)Internet上合法注冊的IP地址（Internet Protocol Address，因特網(wǎng)協(xié)議地址）映射為多個(gè)內(nèi)部服務(wù)器的IP地址，對每次TCP連接請求動(dòng)態(tài)使用其中一個(gè)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(gè)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（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）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。本文所介紹的TCP負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)用就是在第四層中實(shí)現(xiàn)。

第七層負(fù)載均衡控制應(yīng)用層服務(wù)的內(nèi)容，提供了一種對訪問流量的高層控制方式，適合對HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議）服務(wù)器群的應(yīng)用。第七層負(fù)載均衡技術(shù)通過檢查流經(jīng)的HTTP報(bào)頭，根據(jù)報(bào)頭內(nèi)的信息來執(zhí)行負(fù)載均衡任務(wù)。

2 TCP負(fù)載均衡地址轉(zhuǎn)換

NAT (Network Address Translation， 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)是用于將一個(gè)地址域映射到另一個(gè)地址域的標(biāo)準(zhǔn)方法。它使得一個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)可以通過Internet注冊IP連接到外部世界，從而使一個(gè)使用私有地址的網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)以合法地址出現(xiàn)在Internet上，位于Inside網(wǎng)絡(luò)和Outside網(wǎng)絡(luò)邊界上的NAT路由器在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，負(fù)責(zé)把內(nèi)部私有IP地址翻譯成外部合法IP地址，反之亦然。它也可以應(yīng)用到防火墻技術(shù)里，把個(gè)別IP地址隱藏起來不被外界發(fā)現(xiàn)，使外界無法直接訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，從而對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備起到保護(hù)作用，同時(shí)，它還幫助網(wǎng)絡(luò)可以超越地址的限制，合理地安排網(wǎng)絡(luò)中的公有Internet地址和私有IP地址的使用。

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換有四種類型：靜態(tài)NAT、動(dòng)態(tài)NAT、端口地址轉(zhuǎn)換或復(fù)用動(dòng)態(tài)NAT、TCP負(fù)載均衡。

靜態(tài)NAT是將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)主機(jī)都被永久映射成外部網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)合法地址，并將內(nèi)部本地地址與內(nèi)部合法地址進(jìn)行一對一的轉(zhuǎn)換，且需要指定和哪個(gè)合法地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如果內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有E-mail服務(wù)器或FTP服務(wù)器等可以為外部用戶提供的服務(wù)，這些服務(wù)器的IP地址必須采用靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換，以便外部用戶可以使用這些服務(wù)。

動(dòng)態(tài)NAT則是在外部網(wǎng)絡(luò)中定義了一系列的合法地址，采用動(dòng)態(tài)分配的方法映射到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換也是將全局地址與內(nèi)部合法地址一對一的轉(zhuǎn)換，但是動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換是從外部合法地址池中動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)未使用的地址對內(nèi)部本地地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

端口地址轉(zhuǎn)換則是把內(nèi)部地址映射到外部網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)IP地址的不同端口上，它可以允許多個(gè)內(nèi)部本地地址共用一個(gè)外部合法地址。這對只申請到少量IP地址但卻經(jīng)常同時(shí)有多于合法地址個(gè)數(shù)的用戶需要連接到外部網(wǎng)絡(luò)的情況，這種轉(zhuǎn)換極為有用。

TCP負(fù)載均衡和以上操作不同，這是NAT由外到內(nèi)的翻譯。比如訪問Web服務(wù)器，外部主機(jī)向虛擬主機(jī)通信，NAT路由器接受外部主機(jī)的請求并依據(jù)NAT表建立與內(nèi)部主機(jī)的連接，把全局地址（目的地址）翻譯成內(nèi)部局部地址，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到內(nèi)部主機(jī)，內(nèi)部主機(jī)接受包并做出響應(yīng)。NAT路由器再使用內(nèi)部局部地址和端口查詢數(shù)據(jù)表，根據(jù)查詢到的外部地址和端口做出響應(yīng)。此時(shí)，如果同一主機(jī)再作第二個(gè)連接，NAT路由器將根據(jù)NAT表建立與另一虛擬主機(jī)的連接，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

3 TCP負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器通常都要提供多種對外的服務(wù)功能，隨著網(wǎng)絡(luò)功能的不斷完善和發(fā)展，單臺服務(wù)器已經(jīng)不能很好地為外界提供各種服務(wù)，通過構(gòu)建服務(wù)器群來解決訪問瓶頸是比較常見的做法。

下面通過解決校園網(wǎng)中FTP（File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議）服務(wù)器群的訪問實(shí)例，來介紹負(fù)載均衡的應(yīng)用方法。校園網(wǎng)在最初設(shè)計(jì)時(shí)只使用一臺FTP服務(wù)器，主要方便教學(xué)資料的下載，隨著校園網(wǎng)功能的完善，現(xiàn)在開通了電影、音樂等資料的下載，為了解決服務(wù)器訪問量增大引起的響應(yīng)緩慢，下載速度慢、連接不穩(wěn)定等問題，現(xiàn)在新增了一臺FTP服務(wù)器，但是網(wǎng)站對外公布的FTP地址是唯一的，并且不能讓外界探測到服務(wù)器的數(shù)量，采用多臺服務(wù)器共享一個(gè)虛擬IP地址，實(shí)現(xiàn)服務(wù)負(fù)載均衡。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)圖

下面用兩臺銳捷R2624路由器模擬校園網(wǎng)和Internet的連接，校園網(wǎng)內(nèi)的FTP服務(wù)器有2臺，IP地址分別為：20.1.1.2/24，20.1.1.3/24，Internet網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)IP地址為10.10.1.2/24。連接方法如圖1所示。

3.2 配置方法

按圖1連接好網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，兩臺路由器之間用DTE/DCE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備/數(shù)據(jù)通訊設(shè)備）線分別連接在S0（serial 1/2）串行口，交換機(jī)分別連接到路由器的F0（fastethernet 1/0）以太網(wǎng)口，計(jì)算機(jī)可以連接到交換機(jī)的其他任意可用端口。下面對兩臺路由器的整個(gè)配置過程進(jìn)行具體介紹，為了便于描述，指定校園網(wǎng)中的路由器命名為R1，Internet中的路由器命名為R2。并對兩臺路由器中的主要配置命令及做出簡要說明。

3.2.1 Internet中路由器（R2）的配置

此路由器的主要作用是用來模擬Internet上的地址并連接到R1上，所以配置比較簡單，只要在S0串行行口和F0以太網(wǎng)口分別指定與相連網(wǎng)段的相通的IP地址即可。進(jìn)入路由器全局模式后輸入下列命令：

R2(config)#interface serial 1/2 ‘進(jìn)入S0串行口

R2(config-if)#ip address 202.168.12.2 255.255.255.0

‘設(shè)置該接口的IP地址

R2(config-if)#no shutdown‘打開該接口

R2(config)#interface fastethernet 1/0‘進(jìn)入F0以太網(wǎng)口

R2(config-if)#ip address 10.10.1.1 255.255.255.0

‘指定該接口的IP地址

R2(config-if)#no shutdown‘打開該接口

R2(config-if)#end ‘退回到特權(quán)模式，結(jié)束配置

3.2.2 校園網(wǎng)中路由器（R1）的配置

TCP負(fù)載均衡的配置主要由此路由器實(shí)現(xiàn)，除了在此路由器上指定與Internet部分路由器連接的基本設(shè)置外，還要在此路由器上配置TCP負(fù)載均衡地址轉(zhuǎn)換。進(jìn)入路由器全局模式后輸入下列命令：

R1(config)#interface serial 1/2‘進(jìn)入S0串行口

R1(config-if)#ip address 202.168.12.1 255.255.255.0‘配置該接口的IP地址

R1(config-if)#clock rate 64000 ‘做DCE端設(shè)備，配置時(shí)鐘頻率

R1(config-if)#no shutdown‘開啟該接口

R1(config)#interface fastethernet 1/0‘進(jìn)入F0以太網(wǎng)口

R1(config-if)#ip address 20.1.1.1 255.255.255.0‘配置該接口的IP地址

R1(config-if)#no shutdown‘開啟該接口

R1(config-if)#end‘退回到特權(quán)模式

R1(config)#ip nat pool realhosts 20.1.1.2 20.1.1.3 netmask 255.255.255.0 type rotary ‘定義包含內(nèi)部真實(shí)主機(jī)地址的地址池

R1(config)#access-list 1 permit 20.1.1.100 ‘定義允許訪問虛擬主機(jī)地址的一個(gè)訪問控制列表

R1(config)#ip nat inside destination list 1 pool realhosts ‘建立一個(gè)動(dòng)態(tài)內(nèi)部目的地址轉(zhuǎn)換，引用在前面定義的訪問控制列表

R1(config)#interface serial 1/2‘進(jìn)入S0串行口

R1(config-if)#ip nat outside ‘指定與外部網(wǎng)絡(luò)相連的外部接口

R1(config)#interface fastethernet 1/0‘進(jìn)入F0以太網(wǎng)口

R1(config-if)#ip nat inside‘指定與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相連的內(nèi)部接口

R1(config)#end ‘配置結(jié)束

R1#show ip nat translations‘查看配置信息

在配置R1的過程中，注意需要建立一個(gè)虛擬地址來代表多臺服務(wù)器的真實(shí)主機(jī)地址，本例中以20.1.1.100作為虛擬地址，提供外面主機(jī)對FTP服務(wù)器的訪問。另外不要把inside和outside應(yīng)用的接口弄錯(cuò)，inside應(yīng)用在與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接的接口上，outside應(yīng)用在與外部網(wǎng)絡(luò)連接的接口上。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在R1和R2上配置好允許相互訪問的路由信息，在Internet部分的PC機(jī)上訪問FTP服務(wù)器的唯一地址，即20.1.1.100，便可以訪問到兩臺FTP服務(wù)器提供的資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)負(fù)載分擔(dān)。

TCP負(fù)載均衡地址轉(zhuǎn)換是多臺服務(wù)器復(fù)用同一IP地址時(shí)有效的解決方法，通過訪問控制列表或策略路由等技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。但網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)對一些管理和安全機(jī)制的潛在威脅仍存在，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)自己的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境做好充分的論證。

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