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)和流量呈幾何級數(shù)增加，造成服務(wù)器超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，負(fù)載平衡調(diào)度是解決服務(wù)器超負(fù)荷運轉(zhuǎn)的有效途徑。本文分析了服務(wù)器負(fù)載特點和負(fù)載均衡常見調(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;負(fù)載平衡;調(diào)度算法

1負(fù)載均衡技術(shù)概況

近年來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用的迅猛發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已進(jìn)入社會各項事物中，給人們的工作、生活帶來了巨大的改善。但是隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)的不斷增長、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)荷也將越來越重，使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各個核心部分的處理能力和計算強度也相應(yīng)地增大，這樣單一的服務(wù)器設(shè)備根本無法承擔(dān)。

針對此情況而衍生出來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)中使用多臺服務(wù)器提供服務(wù)，通過一定機制使他們共同分擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載，對單一的服務(wù)器沒有太高的性能要求，系統(tǒng)負(fù)載增加，可以多增加服務(wù)器來分擔(dān)。對用戶而言，整個系統(tǒng)仿佛是一臺單一的邏輯服務(wù)器，這樣的系統(tǒng)能夠提供較強的可擴(kuò)展性和較好的吞吐性能。

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

（1）基于RR-DNS的解決方法，其特點是采用動態(tài)DNS輪詢，無需復(fù)雜的配置和管理，實現(xiàn)起來簡單。

（2）代理服務(wù)器解決方法，其特點是將客戶請求通過代理服務(wù)器均勻轉(zhuǎn)發(fā)給多臺服務(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，其特點是通過一個基于應(yīng)用層的負(fù)載平衡器，分析客戶請求，根據(jù)各個服務(wù)器的負(fù)載情況，選出一臺服務(wù)器，將請求重定向到該服務(wù)器進(jìn)行訪問。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，通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)或IP隧道技術(shù)實現(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)載平衡的實現(xiàn)中，調(diào)度算法是研究的核心內(nèi)容，目前常見的負(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臺服務(wù)器。算法的優(yōu)點是其簡潔性，它無需記錄當(dāng)前所有連接的狀態(tài)，所以它是一種無狀態(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)算法來將請求分配到各服務(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)度是一種動態(tài)調(diào)度算法，它通過服務(wù)器當(dāng)前所活躍的連接數(shù)來估計服務(wù)器的負(fù)載情況。調(diào)度器需要記錄各個服務(wù)器己建立連接的數(shù)目，當(dāng)一個請求被調(diào)度到某臺服務(wù)器，其連接數(shù)加一;當(dāng)連接中止或超時，其連接數(shù)減一。最小連接調(diào)度算法在各個服務(wù)器的處理能力不同時，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。它通過一個散列(Hash)函數(shù)將一個目標(biāo)IP地址映射到一臺服務(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，訪問請求的增加，常用調(diào)度算法在調(diào)度性能上存在不足，主要問題是：

常用調(diào)度算法沒有充分考慮服務(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)器的連接請求數(shù)狀態(tài)，是一種動態(tài)調(diào)度，但服務(wù)器的負(fù)載不能僅僅是請求連接數(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)器的實時綜合狀態(tài)反饋，調(diào)度負(fù)載請求到相應(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MRTG工具獲得每臺服務(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)值計算每臺服務(wù)器的負(fù)載排名，再在分析已有算法的基礎(chǔ)上，通過使用自適應(yīng)調(diào)度算法進(jìn)行合理調(diào)度，實現(xiàn)負(fù)載平衡。

3.1算法描述

設(shè)系統(tǒng)中有m個服務(wù)器，ri[j](1≤i≤m，1≤j≤3)表示第i個服務(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)每臺服務(wù)器的負(fù)載情況，通過調(diào)度算法把請求調(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] 一定時間:

else

{繼續(xù)對若干臺服務(wù)器進(jìn)行獲取性能參數(shù)的操作并計算加權(quán)值}

3.2自適應(yīng)調(diào)度算法應(yīng)用分析及測試

3.2.1測試環(huán)境

由三臺服務(wù)器和兩臺客戶端計算機組成，如圖1所示。

SNMP采集服務(wù)器運行Linux系統(tǒng)，安裝MRTG管理工具，每隔15秒采集三臺服務(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，計算三臺服務(wù)器的綜合負(fù)載，按照設(shè)計的調(diào)度算法，將客戶端計算機的請求合理調(diào)度到三臺服務(wù)器上，實現(xiàn)三臺服務(wù)器的負(fù)載平衡。

對于一個Web服務(wù)器，Web訪問響應(yīng)時間主要與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。在測試Web服務(wù)器性能時主要采用平均應(yīng)答延遲、吞吐率兩個參數(shù)。吞吐率定義為平均每秒處理的請求個數(shù)，平均應(yīng)答延遲定義為從建立連接到應(yīng)答結(jié)束之間的時間。

3.2.2測試結(jié)果

測試實驗以循環(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)度算法來進(jìn)行測試比較。通過MRTG工具測得三臺服務(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，隨著請求強度的增大，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

目前，我國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)荷也將越來越重。利用負(fù)載平衡技術(shù)及優(yōu)良的系統(tǒng)方案實現(xiàn)多臺服務(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)荷運轉(zhuǎn)的方法。

參考文獻(xiàn):

[1]朱文濤，洪佩琳，李津生.基于Linux虛擬服務(wù)器的負(fù)載均衡.計算機工程，2002(l2):55-57.

[2]陳志剛，劉安豐，熊策，張連明.一種有效負(fù)載均衡的網(wǎng)格Web服務(wù)體系結(jié)構(gòu)模型.計算機學(xué)報，2005(4):458-465.

[3]李克清，陳萃萌，譚輝.一種動態(tài)自適應(yīng)的網(wǎng)格負(fù)載平衡調(diào)度算法.武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2006(2):69-72.

[4]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)第2版.北京:電子工業(yè)出版社，1999.

[5]孫泳，史忠植.MRTG的研究與部署.計算機應(yīng)用，2004(3):22-24.