網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

劉俊波 蔡建坤

摘 要：隨著用戶(hù)數(shù)的不斷增長(zhǎng)，網(wǎng)站的訪問(wèn)量激增。系統(tǒng)能否提供大規(guī)模并發(fā)訪問(wèn)的能力，已成為衡量系統(tǒng)高可用性的重要指標(biāo)。如果客戶(hù)的增多導(dǎo)致通信量超出了服務(wù)器所能承受的范圍，系統(tǒng)的使用必將受到影響。因此，基于單臺(tái)服務(wù)器提供WEB服務(wù)的方案已經(jīng)不能解決此類(lèi)問(wèn)題，將多臺(tái)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，并且共同分擔(dān)負(fù)載壓力，已成為有效解決負(fù)載壓力的一種手段。

關(guān)鍵詞：WEB服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡集群；系統(tǒng)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0000-00

采用單一WEB 服務(wù)器的方式對(duì)外提供服務(wù)的網(wǎng)站，在用戶(hù)訪問(wèn)量較少的情況下，能夠勉強(qiáng)滿(mǎn)足用戶(hù)請(qǐng)求，但當(dāng)用戶(hù)量激增時(shí)，極有可能造成網(wǎng)站訪問(wèn)慢，甚至可能導(dǎo)致網(wǎng)站癱瘓等嚴(yán)重問(wèn)題。通過(guò)引入網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡（英文簡(jiǎn)稱(chēng)NLB）技術(shù)，使Web網(wǎng)站得到了很好的擴(kuò)充，在不影響對(duì)外提供服務(wù)的前提下，能夠承載更多的用戶(hù)訪問(wèn)量。

1 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡概述

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡是 Microsoft提供的一種負(fù)載均衡技術(shù)。通過(guò)將大量的客戶(hù)請(qǐng)求均衡分布到同一網(wǎng)絡(luò)中的多臺(tái)服務(wù)器的方式來(lái)進(jìn)行負(fù)載處理。通過(guò)最大程度的減少停機(jī)時(shí)間，提供持續(xù)不間斷的服務(wù)，可以極大提高系統(tǒng)的高可用性；通過(guò)平衡負(fù)載請(qǐng)求至各服務(wù)器，支持在不關(guān)閉群集的情況下動(dòng)態(tài)添加主機(jī)，可以增強(qiáng)服務(wù)器應(yīng)用程序的可伸縮性和可用性。

NLB群集中的所有節(jié)點(diǎn)均共享一個(gè)代表所需網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬 IP地址。所有NLB服務(wù)器均監(jiān)聽(tīng)用戶(hù)請(qǐng)求， 但其中只有一臺(tái)服務(wù)器對(duì)這些用戶(hù)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。基于快速 Hash算法的負(fù)載均衡架構(gòu)負(fù)責(zé)合并客戶(hù)端 IP 地址與端口號(hào)， 并確定由哪臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行響應(yīng)。另外，可以指定某種相識(shí)性規(guī)則， 以便能夠在不同服務(wù)器上分配不同的負(fù)載量。

2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡關(guān)鍵技術(shù)

由于 NLB不能根據(jù) CPU 和內(nèi)存利用率來(lái)分配流量， 而且群集性能并不隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而線性變化。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多， 由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)， CPU 開(kāi)銷(xiāo)也隨之增大， 所以正確的配置和規(guī)劃對(duì)于建立NLB群集來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

2.1 群集操作模式

NLB群集支持單播和多播兩種模式。

（1）單播模式：NLB服務(wù)會(huì)重新對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)中啟用NLB的網(wǎng)卡分配MAC地址（群集MAC地址），并且所有的NLB節(jié)點(diǎn)均使用相同的MAC地址，同時(shí)NLB會(huì)修改所有發(fā)送數(shù)據(jù)包中的源MAC地址，其缺點(diǎn)在于到達(dá)群集的流量會(huì)擴(kuò)散至交換機(jī)VLAN上的所有端口。

（2）多播模式：此種模式下，NLB服務(wù)不會(huì)重新對(duì)節(jié)點(diǎn)分配MAC地址，而是增加一個(gè)2層多播MAC地址，節(jié)點(diǎn)之間可以通過(guò)原有IP通信。其缺點(diǎn)在于針對(duì)群集IP得知的ARP請(qǐng)求將映射到多播MAC地址，而路由器、交換機(jī)默認(rèn)不會(huì)學(xué)習(xí)多播MAC地址，所以必須添加群集IP和群集MAC地址的映射，否則無(wú)法進(jìn)行ARP解析。

（3）IGMP多播：此種模式下，NLB服務(wù)會(huì)通過(guò)IGMP協(xié)議使交換機(jī)只將NLB通信發(fā)送至NLB節(jié)點(diǎn)的端口，而不是交換機(jī)所有端口，但需要交換機(jī)支持IGMP偵聽(tīng)。

2.2 端口規(guī)則篩選模式

系統(tǒng)可針對(duì)端口規(guī)則采取禁止、多主機(jī)負(fù)載平衡和單主機(jī)的特殊處理。其中， 多主機(jī)篩選模式提供了真正意義上的負(fù)載平衡， 并且可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際處理能力進(jìn)行負(fù)載的分配。

（1）多個(gè)主機(jī)：相似性-無(wú)：客戶(hù)端的服務(wù)請(qǐng)求會(huì)平均分配到群集內(nèi)的每一臺(tái)服務(wù)器。此種模式下需要設(shè)置各服務(wù)器之間的Session共享；相似性-單一：客戶(hù)端的請(qǐng)求會(huì)固定分配到一臺(tái)服務(wù)器，同一個(gè)客戶(hù)端的訪問(wèn)由同一個(gè)服務(wù)器響應(yīng)；相似性-網(wǎng)絡(luò)：某些服務(wù)器指定處理來(lái)自某些網(wǎng)段的請(qǐng)求。

（2）單一主機(jī)：在設(shè)置的端口范圍內(nèi)的所有請(qǐng)求都由一臺(tái)服務(wù)器執(zhí)行。

3 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡群集配置

系統(tǒng)最為重要的是保證其業(yè)務(wù)的高可用性，當(dāng)用戶(hù)訪問(wèn)量較大時(shí)，不允許出現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷的情況。為了防止出現(xiàn)該單點(diǎn)情況的發(fā)生，因此采取了群集的方式，同時(shí)為了防止單服務(wù)器負(fù)載過(guò)高的問(wèn)題出現(xiàn)，將兩臺(tái)虛擬服務(wù)器做成了NLB群集，共同承擔(dān)用戶(hù)訪問(wèn)。

3.1 基本配置

（1）端口范圍：默認(rèn)情況下， TCP或 UDP的0～ 65536 端口都是可以為NLB所用， 但考慮到NLB的安全，只針對(duì)所提供的服務(wù)進(jìn)行特定設(shè)置。在對(duì)外提供 Web服務(wù)時(shí)， 站點(diǎn)使用80端口， 因此，將此端口范圍修改為“從80到80”。

（2）協(xié)議：選擇TCP協(xié)議來(lái)提供NLB服務(wù)。

3.2 配置過(guò)程

（1）進(jìn)入Server1， 以管理員身份登錄， “管理工具”中運(yùn)行 “網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡管理器” ，從出現(xiàn)的菜單中選擇“新建群集”，進(jìn)入“群集參數(shù)”界面。

（2）配置群集參數(shù)：群集 IP是群集器對(duì)外提供訪問(wèn)的 IP地址（虛擬IP）。群集操作模式選擇IGMP多播。

（3）配置網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡端口規(guī)則：可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求， 對(duì)該規(guī)則進(jìn)行修改或者添加其他的端口規(guī)則。篩選模式中選擇“多個(gè)主機(jī)”模式提供服務(wù)。多個(gè)主機(jī)之間進(jìn)行負(fù)載平衡時(shí)，“相似性”選擇“無(wú)”，此時(shí)，用戶(hù)的訪問(wèn)請(qǐng)求將會(huì)平均分配到各服務(wù)器。

（4）在連接主機(jī)設(shè)置中輸入Server1的IP， 在“對(duì)配置一個(gè)新的群集可用的接口” 框中顯示出連接的計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡及 IP地址，選擇提供NLB服務(wù)的對(duì)外提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)地址。等待群集加載配置信息，至此，NLB群集已成功建立，Server1已加入NLB群集。

（5）添加Server2到群集， 右鍵選擇“主機(jī)加入到群集” ， 此設(shè)置將直接轉(zhuǎn)至“連接” 界面， 按照Server1的方式進(jìn)行相關(guān)設(shè)置即可。設(shè)置完成后等待群集加載Server2的配置信心，刷新群集狀態(tài)， 如果顯示“已聚合”，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡設(shè)置已經(jīng)成功。

4 測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖1）

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

Server1（188.3.23.7）與Server2（188.3.23.8）處于局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由兩臺(tái)服務(wù)器搭建的NLB群集，群集對(duì)外的IP地址為188.3.23.20。

4.2 功能測(cè)試

在Server1、Server2上修改的IIS默認(rèn)網(wǎng)站Default Web Site，端口8080，若直接訪問(wèn)Server1的網(wǎng)站，則會(huì)在網(wǎng)頁(yè)提示“This is IIS1 188.2.23.7”；若直接訪問(wèn)Server2的網(wǎng)站，則會(huì)在網(wǎng)站提示“This is IIS2 188.2.23.8”。

（1）訪問(wèn)http：//188.2.23.20：8080，打開(kāi)兩個(gè)個(gè)IE窗口，訪問(wèn)結(jié)果分別為“This is IIS1 188.2.23.7”，“This is IIS2 188.2.23.8”。證明負(fù)載均衡群集已將訪問(wèn)請(qǐng)求均分到不同服務(wù)器。

（2）當(dāng)Server1服務(wù)器當(dāng)機(jī)（或網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)）時(shí)，依舊訪問(wèn)群集網(wǎng)址，訪問(wèn)結(jié)果為“This is IIS2 188.2.23.8”。證明當(dāng)群集中某節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，群集依舊運(yùn)行正常。

4.3 性能測(cè)試

為測(cè)試網(wǎng)站響應(yīng)時(shí)間，設(shè)置在后臺(tái)代碼中做雙精度數(shù)字運(yùn)算，循環(huán)多次，打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)的時(shí)間維持在3-6秒。首先，對(duì)Server1做負(fù)載均衡測(cè)試，直至出現(xiàn)用戶(hù)請(qǐng)求無(wú)法響應(yīng)的情況；然后，對(duì)NLB群集做負(fù)載均衡測(cè)試，也同樣測(cè)試到有用戶(hù)請(qǐng)求無(wú)法響應(yīng)的情況出現(xiàn)。如表1所示。

表1 性能測(cè)試結(jié)果表

最大用戶(hù)數(shù) 每秒HTTP響應(yīng)數(shù)

單服務(wù)器 40 0.364

NLB群集 130 1.182

從測(cè)試結(jié)果可以看出：?jiǎn)蝹€(gè)服務(wù)器的負(fù)載能力較弱，允許的最大用戶(hù)數(shù)較少；而NLB群集能有效的均衡兩臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載，其最大用戶(hù)數(shù)比兩臺(tái)服務(wù)器單獨(dú)所能承擔(dān)用戶(hù)數(shù)的兩倍還多，并且相同時(shí)間內(nèi)能夠響應(yīng)的HTTP請(qǐng)求數(shù)明顯增加。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用負(fù)載均衡技術(shù)組建群集，用多臺(tái)服務(wù)器而不是單一服務(wù)器來(lái)提供WEB服務(wù)。各服務(wù)器共同承擔(dān)較為繁重的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。不僅大大提升了系統(tǒng)的性能，而且還在系統(tǒng)的高可用性方面有很好的表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳武，王平.負(fù)載均衡技術(shù)在數(shù)字圖書(shū)館服務(wù)中的應(yīng)用模式及實(shí)例分析[J].現(xiàn)代圖書(shū)情報(bào)技術(shù)，2004，卷（3）：1-5.

[2] 侯秀杰，祝永志，孔令鑫.Web服務(wù)器集群負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用與研究[J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2008，卷（5）：5-6.

收稿日期：2018-06-02

作者簡(jiǎn)介：劉俊波（1983—），男，漢，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，研究方向：信息網(wǎng)絡(luò)。