校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡技術(shù)研究

劉贛華

摘要：隨著Intemet的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)和流量呈幾何級(jí)數(shù)增加，造成服務(wù)器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載平衡調(diào)度是解決服務(wù)器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的有效途徑。本文分析了服務(wù)器負(fù)載特點(diǎn)和負(fù)載均衡常見(jiàn)調(diào)度算法，提出了自適應(yīng)調(diào)度算法，根據(jù)服務(wù)器負(fù)載狀態(tài)變化進(jìn)行資源調(diào)度。

關(guān)鍵詞：服務(wù)器;監(jiān)測(cè);負(fù)載平衡;調(diào)度算法

1負(fù)載均衡技術(shù)概況

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已進(jìn)入社會(huì)各項(xiàng)事物中，給人們的工作、生活帶來(lái)了巨大的改善。但是隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)的不斷增長(zhǎng)、服務(wù)需求的不斷增多，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量將急劇增加，服務(wù)器的負(fù)荷也將越來(lái)越重，使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)核心部分的處理能力和計(jì)算強(qiáng)度也相應(yīng)地增大，這樣單一的服務(wù)器設(shè)備根本無(wú)法承擔(dān)。

針對(duì)此情況而衍生出來(lái)的一種有效的方法以擴(kuò)展現(xiàn)有網(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)的靈活性和可用性的技術(shù)就是負(fù)載均衡技術(shù)。

負(fù)載均衡技術(shù)就是在網(wǎng)絡(luò)中使用多臺(tái)服務(wù)器提供服務(wù)，通過(guò)一定機(jī)制使他們共同分擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載，對(duì)單一的服務(wù)器沒(méi)有太高的性能要求，系統(tǒng)負(fù)載增加，可以多增加服務(wù)器來(lái)分擔(dān)。對(duì)用戶而言，整個(gè)系統(tǒng)仿佛是一臺(tái)單一的邏輯服務(wù)器，這樣的系統(tǒng)能夠提供較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和較好的吞吐性能。

負(fù)載平衡技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)課題之一。目前負(fù)載平衡技術(shù)主要有：

（1）基于RR-DNS的解決方法，其特點(diǎn)是采用動(dòng)態(tài)DNS輪詢，無(wú)需復(fù)雜的配置和管理，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單。

（2）代理服務(wù)器解決方法，其特點(diǎn)是將客戶請(qǐng)求通過(guò)代理服務(wù)器均勻轉(zhuǎn)發(fā)給多臺(tái)服務(wù)器，從而達(dá)到負(fù)載平衡的目的。

（3）基于應(yīng)用層的負(fù)載平衡解決方法，其特點(diǎn)是通過(guò)一個(gè)基于應(yīng)用層的負(fù)載平衡器，分析客戶請(qǐng)求，根據(jù)各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況，選出一臺(tái)服務(wù)器，將請(qǐng)求重定向到該服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)。應(yīng)用層負(fù)載平衡調(diào)度的典型代表有zeus負(fù)載調(diào)度器、pwe、reverse-proxy等；基于IP層的負(fù)載平衡解決方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)或IP隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。

目前高校網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用比較復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求也比較高，這就使負(fù)載均衡技術(shù)在校園網(wǎng)應(yīng)用中有很大的用武之地。

2負(fù)載均衡技術(shù)的常用調(diào)度算法

在負(fù)載平衡的實(shí)現(xiàn)中，調(diào)度算法是研究的核心內(nèi)容，目前常見(jiàn)的負(fù)載平衡調(diào)度算法有：

2.1循環(huán)調(diào)度算法：是以輪叫的方式依次將請(qǐng)求調(diào)度到不同的服務(wù)器，即每次調(diào)度執(zhí)行i=(i+1) mod n，并選出第i臺(tái)服務(wù)器。算法的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)潔性，它無(wú)需記錄當(dāng)前所有連接的狀態(tài)，所以它是一種無(wú)狀態(tài)調(diào)度。

2.2加權(quán)循環(huán)調(diào)度算法：可以解決服務(wù)器之間處理性能不一致，并用權(quán)值來(lái)表現(xiàn)。服務(wù)器缺省權(quán)值為1，假設(shè)服務(wù)器A、B的權(quán)值分別是1、2，表示服務(wù)器B處理性能是A的2倍。加權(quán)循環(huán)算法將按照權(quán)值的高低和循環(huán)算法來(lái)將請(qǐng)求分配到各服務(wù)器，權(quán)值高的先收到連接，比權(quán)值低的服務(wù)器處理更多的連接，相同權(quán)值的服務(wù)器處理相同的連接。

2.3最小連接調(diào)度算法：是把新的連接請(qǐng)求分配到當(dāng)前連接數(shù)最小的服務(wù)器。最小連接調(diào)度是一種動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，它通過(guò)服務(wù)器當(dāng)前所活躍的連接數(shù)來(lái)估計(jì)服務(wù)器的負(fù)載情況。調(diào)度器需要記錄各個(gè)服務(wù)器己建立連接的數(shù)目，當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求被調(diào)度到某臺(tái)服務(wù)器，其連接數(shù)加一;當(dāng)連接中止或超時(shí)，其連接數(shù)減一。最小連接調(diào)度算法在各個(gè)服務(wù)器的處理能力不同時(shí)，該算法不理想。

2.4加權(quán)最小連接調(diào)度算法：是最小連接調(diào)度的改進(jìn)，各個(gè)服務(wù)器用相應(yīng)的權(quán)值表示其處理性能。服務(wù)器的缺省權(quán)值為1，系統(tǒng)管理員可以動(dòng)態(tài)地設(shè)置服務(wù)器的權(quán)值。加權(quán)最小連接調(diào)度在調(diào)度新連接時(shí)盡可能使服務(wù)器的已建立連接數(shù)和其權(quán)值成比例。

2.5目標(biāo)地址散列調(diào)度算法：是針對(duì)目標(biāo)IP地址的負(fù)載平衡，是一種靜態(tài)映射算法。它通過(guò)一個(gè)散列(Hash)函數(shù)將一個(gè)目標(biāo)IP地址映射到一臺(tái)服務(wù)器。

此外還有源地址散列調(diào)度算法等等。

以上所述的常用調(diào)度算法在解決服務(wù)器負(fù)載平衡方面起到了一定的作用，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，訪問(wèn)請(qǐng)求的增加，常用調(diào)度算法在調(diào)度性能上存在不足，主要問(wèn)題是：

常用調(diào)度算法沒(méi)有充分考慮服務(wù)器的負(fù)載狀態(tài)，其中循環(huán)調(diào)度算法和加權(quán)循環(huán)調(diào)度算法，是一種無(wú)狀態(tài)的調(diào)度算法，屬于靜態(tài)調(diào)度;目標(biāo)地址散列和源地址散列調(diào)度算法是一種靜態(tài)映射算法;最小連接調(diào)度和加權(quán)最小連接調(diào)度算法，雖然考慮到了服務(wù)器的連接請(qǐng)求數(shù)狀態(tài)，是一種動(dòng)態(tài)調(diào)度，但服務(wù)器的負(fù)載不能僅僅是請(qǐng)求連接數(shù)，還要考慮CPU、流量等狀態(tài)。

常用調(diào)度算法不能有效根據(jù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)綜合狀態(tài)反饋，調(diào)度負(fù)載請(qǐng)求到相應(yīng)的服務(wù)器。

3根據(jù)服務(wù)器負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度的自適應(yīng)調(diào)度算法

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)控中，可以通過(guò)MRTG工具獲得每臺(tái)服務(wù)器的CPU負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)流量、內(nèi)存占用率等服務(wù)器負(fù)載數(shù)據(jù)，代理服務(wù)器根據(jù)服務(wù)器的負(fù)載數(shù)據(jù)和相應(yīng)的權(quán)值計(jì)算每臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載排名，再在分析已有算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用自適應(yīng)調(diào)度算法進(jìn)行合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。

3.1算法描述

設(shè)系統(tǒng)中有m個(gè)服務(wù)器，ri[j](1≤i≤m，1≤j≤3)表示第i個(gè)服務(wù)器的CPU負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)流量、內(nèi)存占用率的負(fù)載參數(shù)，wj(1≤j≤3)表示服務(wù)器的CPU負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)流量、內(nèi)存占用率的權(quán)值，每個(gè)服務(wù)器i的負(fù)載情況記為load[i]=∑ri[j]*wj。代理服務(wù)器根據(jù)每臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載情況，通過(guò)調(diào)度算法把請(qǐng)求調(diào)度到相應(yīng)的服務(wù)器。

算法描述如下：

MaxLoadValue=0;

for(i=l;i

{for(j=1;j<=3;j++)

load[i]=load[i]+ri[j]*Wj

if(MaxLoadValue

{MaxLoadValue=load[i];

Serverld=i}}

if(MaxLoadValue>管理闕值)

stop Server[i] 一定時(shí)間:

else

{繼續(xù)對(duì)若干臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行獲取性能參數(shù)的操作并計(jì)算加權(quán)值}

3.2自適應(yīng)調(diào)度算法應(yīng)用分析及測(cè)試

3.2.1測(cè)試環(huán)境

由三臺(tái)服務(wù)器和兩臺(tái)客戶端計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。

SNMP采集服務(wù)器運(yùn)行Linux系統(tǒng)，安裝MRTG管理工具，每隔15秒采集三臺(tái)服務(wù)器上的CPU負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)流量和內(nèi)存占用率的參數(shù)。各應(yīng)用服務(wù)器采用Windows Server2003和IIS。

代理服務(wù)器運(yùn)行Windows Server2003，根據(jù)SNMP采集服務(wù)器的參數(shù)和相應(yīng)的負(fù)載權(quán)值，計(jì)算三臺(tái)服務(wù)器的綜合負(fù)載，按照設(shè)計(jì)的調(diào)度算法，將客戶端計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求合理調(diào)度到三臺(tái)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)三臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載平衡。

對(duì)于一個(gè)Web服務(wù)器，Web訪問(wèn)響應(yīng)時(shí)間主要與Web服務(wù)器本身性能及網(wǎng)絡(luò)傳輸情況有關(guān)，現(xiàn)假定服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)情況一定。在測(cè)試Web服務(wù)器性能時(shí)主要采用平均應(yīng)答延遲、吞吐率兩個(gè)參數(shù)。吞吐率定義為平均每秒處理的請(qǐng)求個(gè)數(shù)，平均應(yīng)答延遲定義為從建立連接到應(yīng)答結(jié)束之間的時(shí)間。

3.2.2測(cè)試結(jié)果

測(cè)試實(shí)驗(yàn)以循環(huán)調(diào)度算法、最小連接調(diào)度算法、加權(quán)最小連接調(diào)度算法和根據(jù)服務(wù)器負(fù)載狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)度算法來(lái)進(jìn)行測(cè)試比較。通過(guò)MRTG工具測(cè)得三臺(tái)服務(wù)器的CPU負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)流量和內(nèi)存占用率數(shù)據(jù)，比較四種調(diào)度算法的平均應(yīng)答延遲和吞吐率兩個(gè)參數(shù)。循環(huán)調(diào)度算法、最小連接調(diào)度算法、加權(quán)最小連接調(diào)度算法作為調(diào)度性能比較的基準(zhǔn)。在中低負(fù)載下，四種算法的效率相差不大，但在中高負(fù)載和重負(fù)載下，隨著請(qǐng)求強(qiáng)度的增大，根據(jù)服務(wù)器負(fù)載狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)度算法具有更好的效率。

4結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)各高校都已基本建立了一定規(guī)模的校園網(wǎng)，隨著學(xué)校將來(lái)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，校園網(wǎng)流量將急劇增加，服務(wù)器的負(fù)荷也將越來(lái)越重。利用負(fù)載平衡技術(shù)及優(yōu)良的系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)多臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載平衡，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中一種有效的解決服務(wù)器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的方法。

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