校園網服務器集群負載均衡仿真分析

李晉超

（山西機電職業技術學院 信息工程系，山西 長治 046011）

1 引言

近年來大數據、云計算、人工智能等新技術發展迅速，有力的促進了高校由“數字校園”向“智慧校園”的全面升級，“智慧校園”對于高校的行政管理、教學科研、后勤保障等各方面提供了決策依據，并打破了種種屏障，使校園網各項功能相互融合，大大提升了高校的管理水平。

“智慧校園”校園網需要硬件設施作為基礎，例如高帶寬的出入接口，覆蓋校園的無線設備，高配置的服務器等，作為校園網核心的服務器承載了大流量的數據傳輸，包括了HTTP、FTP、Video等網絡服務。為了更好發揮服務器的作用，避免延遲、卡頓等現象發生，負載均衡（Load Balance）技術在服務器集群上的配置尤為關鍵，其含義是通過選擇合適的策略把任務分攤在每個服務器上，最大程度提高服務器集群整體運行效果，是目前企業、政府、學校等應用較為普遍的解決服務器負載過高的一種有效途徑。

利用OPNET軟件模擬實現校園網服務器集群負載均衡技術并進行研究，這對我院建設“智慧校園”會有很大的幫助。OPNET是網絡原理性研究和網絡實踐兩方面完美結合的產物[1]，不僅可以用來研究網絡協議并加以改進測試，還可以仿真驗證網絡規劃方案的實施效果。作為當今先進的網絡仿真軟件，近年來被國內很多企業、大學廣泛使用。

2 負載均衡主要算法簡介

（1）輪循調度算法 （Round Robin Scheduling，round-robin），把請求執行的任務在服務器集群內部的服務器上依次執行，每次執行的服務器值為i=（i+1）mod n。

（2）隨機算法（Random），每臺服務器都會得到一個由偽隨機算法得出的值，值為最大或最小值的服務器會優先執行請求任務，即每次調度執行i=rand(seed)[2]。

（3）最小負載優先算法（1east load first，LLF），就是把請求執行的任務分配給當前處理負荷最輕的服務器，此算法綜合比較各服務器硬件條件及當前連接數據等情況。

（4）少連接數算法（Least Connection First，LCF）是動態算法，其觀點認為連接少的服務器的負載較輕，能夠快速響應網絡服務請求，具備更強的服務能力。

3 建模仿真

3.1 建模

根據學院實際運行情況，在OPNET軟件中構建相關的網絡拓撲，見圖1，其中包括了學生公寓、教學樓、行政樓、網絡服務中心、實訓中心幾個主要部分。分別在Appliacation、Profile、客戶端、服務器端相應配置了HTTP應用服務，在網絡服務中心設置了三臺硬件配置與操作系統都相同的服務器，通過路由器Load_Balancer與Router1相連，見圖2；由于學生公寓、教學樓、行政樓、實訓中心的用戶較多，為了便于測試分別設置了7臺客戶機并通過交換機與外部路由器連接。

圖1 網絡拓撲圖

圖2 服務器集群連接

3.2 模擬仿真

通過在網絡服務中心內的路由器Load_Balancer分別設置無負載均衡、輪循調度算法、隨機算法、最小負載優先算法、少連接數算法生成五個場景，選擇觀察全局目標中的HTTP選項，節點中服務器CPU以及負載均衡選項，分別運行仿真時間1小時。

4 對比分析

首先對五個場景運行結束的全局目標HTTP結果進行對比，見圖3，各場景的HTTP對象的響應時間差距不明顯，設置無負載均衡的場景前期響應時間值較高，后期五個場景下的HTTP響應時間差別不大。再觀察傳輸速率結果，見圖4，結果前期顯示采用輪循調度算法的結果好于其他算法，后期最小負載優先算法較優。

圖3 HTTP響應時間對比

圖4 傳輸速率對比

圖5 CPU利用率對比

圖6 傳輸速率對比

其次觀察網絡管理中心內部的第一臺服務器的CPU利用率在不同算法下的運行結果，如圖5顯示，在沒有使用負載均衡的情況下，服務器的CPU利用率明顯高于采用了負載均衡算法的其他場景的值。由于本次模擬仿真只使用了HTTP一種網絡服務，沒有添加其它網絡應用，沒有使用負載均衡技術而導致的CPU利用率較高從而不利于其他網絡應用的運行，影響了服務器集群的性能發揮。CPU利用率最小的是隨機算法，依次是少連接數算法、輪循調度算法、最小負載優先算法。

圖6顯示結果為網絡服務中心內部的路由器在通過設置不同的負載均衡策略下數據傳輸速率對比。當選擇負載均衡策略為最小負載優先算法時，前期數據包傳輸值較高，但波動范圍較大；而策略為少連接數算法時，前期數據包傳輸值較高，后期運行平穩；輪循調度算法被選用時，狀態保持穩定，后期數據包傳輸值較高；隨機算法的運行效果是最差的。

綜合對比仿真結果，顯示當路由器使用負載均衡算法為少連接數算法時，服務器集群提供網絡服務效果較為理想，其他場景下差距較大，顯示在當前工作環境下這種算法能夠有效利用網絡資源，達到良好服務的效果。

通過設置校園網服務器集群負載均衡技術，能有效地解決校園網用戶在訪問網絡服務時存在響應時間較高的問題，充分利用了已有設備，避免了購置性能卓越的服務器高昂費用，避免了服務器單點故障造成數據流量的損失[3]。即使將來有新的網絡服務增加到“智慧校園”當中，集群內服務器數量適當增加即可，大大減輕了管理人員的工作量并提高了工作效率。

5 總結

由于本實驗只設置了HTTP網絡服務，沒有添加更多的網絡應用以增加復雜度，會在以后的研究中在已知的算法上進行改進，也會在不同的服務器硬件配置及操作系統上進行試驗，更好地為學院建設“智慧校園”服務，提高我院信息化工作服務水平。同時把通過OPNET對校園網服務器集群進行負載均衡模擬仿真的過程作為工作案例引入教學當中，這對我院積極推進的項目化課程改革也有著良好的促進作用。