負(fù)載均衡提高應(yīng)用系統(tǒng)性能

全　宇　何　苗

摘要：本文討論了應(yīng)用系統(tǒng)的性能問題，介紹了服務(wù)器負(fù)載均衡的概念和方式，并詳細(xì)闡述了硬件負(fù)載均衡的算法、優(yōu)點。在文中，以一個案例為例描述了如何通過硬件負(fù)載均衡提高應(yīng)用系統(tǒng)性能，以及消除應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器的單點故障，從而增強應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：負(fù)載均衡 服務(wù)器 性能

中圖分類號：TP393.01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8454（2009）11-0017-03

一、引言

信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)普及到社會的各個行業(yè)。在校園里，選課，視頻課件點播、回放，消息發(fā)布等已經(jīng)成為校園網(wǎng)平臺上的重要應(yīng)用；在醫(yī)院里，讓患者自己通過網(wǎng)絡(luò)查詢檢驗、檢查結(jié)果已經(jīng)開始應(yīng)用；在銀行里，網(wǎng)上銀行已經(jīng)逐漸被人們所接受；在政府、在各個服務(wù)機(jī)構(gòu)，越來越多的業(yè)務(wù)已經(jīng)開始在網(wǎng)絡(luò)上運行，給人們的學(xué)習(xí)、工作和日常生活帶來了很大的方便。但是這些系統(tǒng)在運行一段時間后都會暴露出性能問題，嚴(yán)重的會導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)不可用。如：校園內(nèi)的系統(tǒng)，其主要有兩個明顯的特點：一是用戶數(shù)量大，用戶主體是學(xué)生，每個學(xué)生都要訪問相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，獲取相關(guān)的學(xué)習(xí)和上課信息；二是訪問時間集中，開學(xué)的一周內(nèi)，所有的學(xué)生都要在網(wǎng)上選課，查看本學(xué)期相關(guān)的信息，在學(xué)期末，又要上網(wǎng)集中在一周內(nèi)查詢考試成績。在這兩個特點的影響下，每個學(xué)期，校園網(wǎng)平臺上的各個應(yīng)用大部分時間平穩(wěn)運行，而在幾個固定的時間段會出現(xiàn)訪問高峰，而恰恰就是這個訪問的高峰常常造成各個應(yīng)用系統(tǒng)性能低下，速度慢，甚至出現(xiàn)宕機(jī)的情況，影響了各項正常的業(yè)務(wù)；再如：醫(yī)院為患者提供檢驗、檢查結(jié)果查詢的系統(tǒng)，每天上午9-11點會出現(xiàn)一個訪問高峰，而其他時間段訪問量不高，而就是每天上午的這兩個小時，很多醫(yī)院遭到患者對查詢服務(wù)的不滿。各個企事業(yè)單位為了保證自己的各個應(yīng)用系統(tǒng)持續(xù)平穩(wěn)運行，必須要采取相應(yīng)的措施和手段。[1][2]

二、負(fù)載均衡

提高應(yīng)用系統(tǒng)性能最常用到的方法是提高服務(wù)器的硬件配置，這種做法在一定程度上可以提高應(yīng)用系統(tǒng)的性能，但是不能從根本上解決問題。事實證明，增加服務(wù)器的CPU、內(nèi)存的數(shù)量，其性能不會隨著線性增長，而且服務(wù)器的硬件配置也不能無限制的擴(kuò)充和提高。這種方法常常應(yīng)用在中小型的應(yīng)用系統(tǒng)中。

1.什么是負(fù)載均衡

負(fù)載均衡就是由多臺服務(wù)器以對稱的方式組成一個服務(wù)器集合，每臺服務(wù)器都具有等價的地位，都可以單獨對外提供服務(wù)而無需其他服務(wù)器的輔助。通過某種負(fù)載分擔(dān)的算法，將外部發(fā)送來的請求均勻分配到對稱結(jié)構(gòu)中的某一臺服務(wù)器上，而接收到請求的服務(wù)器獨立地回應(yīng)客戶的請求。完成負(fù)載均衡的幾臺服務(wù)器可以是相同軟硬件配置，也可以是不同的軟硬件配置，甚至操作系統(tǒng)也可以不一致。這使得管理部門可以利用幾臺低配置的服務(wù)器實現(xiàn)高性能的應(yīng)用系統(tǒng)，而不必購買價格昂貴的高配置的服務(wù)器。負(fù)載均衡可以分為軟件負(fù)載均衡和硬件負(fù)載均衡。[3][4]

2.軟件負(fù)載均衡

利用專門的應(yīng)用軟件在多臺服務(wù)器之間做負(fù)載均衡。軟件負(fù)載均衡的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，投入成本低。缺點如下：

第一：由于實現(xiàn)負(fù)載均衡功能的軟件要安裝到業(yè)務(wù)服務(wù)器上，所以軟件自身要占用一部分性能已經(jīng)低下的服務(wù)器的資源。

第二：部分實現(xiàn)負(fù)載均衡功能的軟件對負(fù)載均衡的服務(wù)器平臺有局限性。

第三：軟件實現(xiàn)的負(fù)載均衡，流量分?jǐn)偹惴ㄉ?，有的時候流量分?jǐn)偟乃惴ú贿m合實際的環(huán)境。

第四：存在兼容性的問題。在生產(chǎn)系統(tǒng)的服務(wù)器上面安裝實現(xiàn)負(fù)載均衡功能的軟件，軟件的兼容性無法保障，沒有經(jīng)過測試就安裝，是一種冒險的行為。

所以，在實際中，軟件負(fù)載均衡通常用于小型應(yīng)用系統(tǒng)，或者資金不充足的企事業(yè)單位。而大中型系統(tǒng)中通常使用硬件負(fù)載均衡。

3.硬件負(fù)載均衡

硬件負(fù)載均衡是利用專門的硬件設(shè)備實現(xiàn)多臺服務(wù)器之間的負(fù)載均衡。在實現(xiàn)過程中，無需改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不在服務(wù)器上安裝任何軟件，所有的操作全部在硬件負(fù)載均衡設(shè)備上配置和實現(xiàn)。

（１）算法[5]

不同的應(yīng)用環(huán)境，要使用不同的負(fù)載均衡算法與之相匹配，才能充分提高整個應(yīng)用系統(tǒng)的性能。常用的負(fù)載均衡算法如下：

算法1：輪詢

將外部的請求均勻地分?jǐn)偟礁鱾€服務(wù)器上面，如：有3臺服務(wù)器實現(xiàn)負(fù)載均衡，那么3臺服務(wù)器接受處理的請求數(shù)量為1∶1∶1。這種算法適用于做負(fù)載均衡的幾臺服務(wù)器硬件配置相同，他們可以平均分?jǐn)偹辛髁俊?/p>

算法2：比率

將外部請求安裝預(yù)先設(shè)定好的比率分?jǐn)偟礁鱾€負(fù)載均衡的服務(wù)器上，如：有3臺服務(wù)器做負(fù)載均衡，設(shè)定他們接收處理請求的比率為1∶2∶3，那么每臺服務(wù)器處理的請求是不同的。這種算法適用于做負(fù)載均衡的幾臺服務(wù)器硬件配置不同，按照他們的處理能力，設(shè)定比率，從而使得性能高低不同的服務(wù)器都能夠平穩(wěn)運行，不會出現(xiàn)個別服務(wù)器負(fù)載過重，而另外的服務(wù)器負(fù)載過少的情況。

算法3：最少連接數(shù)

負(fù)載均衡的硬件設(shè)備會不斷地檢測做負(fù)載均衡的幾臺服務(wù)器上的連接數(shù)的數(shù)量，將新的請求轉(zhuǎn)發(fā)到連接數(shù)最少的服務(wù)器上面。這種算法適用于應(yīng)用為長連接的情況。

算法4：最快響應(yīng)時間

負(fù)載均衡的硬件設(shè)備會不斷地檢測做負(fù)載均衡的幾臺服務(wù)器中，哪臺服務(wù)器響應(yīng)速度最快，從而將請求轉(zhuǎn)發(fā)到響應(yīng)時間最快的服務(wù)器上面。這種算法適用于每臺做負(fù)載均衡的服務(wù)器都能夠在很短的時間內(nèi)處理完請求，沒有性能的問題。

（２）故障檢查方法[6]

負(fù)載均衡設(shè)備會不斷地檢測負(fù)載均衡服務(wù)器的狀態(tài)，保證請求全部轉(zhuǎn)發(fā)到正常工作狀態(tài)的服務(wù)器上，而不轉(zhuǎn)發(fā)到故障服務(wù)器上。常用的檢測方法如下：

方法1：ping

ping是最直接的一種檢測網(wǎng)絡(luò)是否通暢的方法。負(fù)載均衡的硬件設(shè)備會不間斷地ping做負(fù)載均衡的幾臺服務(wù)器，如果某臺連續(xù)3次ping不通，則認(rèn)為該服務(wù)器已經(jīng)出現(xiàn)故障。

方法2：tcp open

負(fù)載均衡設(shè)備會模擬外部請求想做負(fù)載均衡的服務(wù)器發(fā)送請求，如果能夠得到回應(yīng)，表明服務(wù)器狀態(tài)正常，反之，認(rèn)為服務(wù)器出現(xiàn)故障。如：一個服務(wù)器提供Web服務(wù)，即負(fù)載均衡設(shè)備檢查負(fù)載均衡服務(wù)器的80端口是否正常，如果正常，則表明服務(wù)器的服務(wù)正常，如果檢測不到80端口的服務(wù)，那么認(rèn)為該服務(wù)器上的Web服務(wù)已經(jīng)中斷。

（３）優(yōu)點

１）容錯

當(dāng)負(fù)載均衡設(shè)備檢測到某臺負(fù)載均衡服務(wù)器出現(xiàn)故障時，會自動旁路掉該服務(wù)器，新的請求將不再轉(zhuǎn)發(fā)到該服務(wù)器上，從而實現(xiàn)了容錯機(jī)制。容錯機(jī)制是實現(xiàn)負(fù)載均衡的同時帶來的好處，單憑一臺高性能、高配置的服務(wù)器是實現(xiàn)不了的，也就是說，一臺高配置的服務(wù)器存在單點故障，而負(fù)載均衡不但解決了整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的性能問題，而且消除了單點故障。

２）可擴(kuò)展性

硬件負(fù)載均衡的擴(kuò)展能力很強，若３臺服務(wù)器性能不能滿足需求，可以增加到４臺或５臺，甚至更多。

３）節(jié)省投資

只要有處理能力的服務(wù)器都可以加入到負(fù)載均衡的行列里，通過負(fù)載均衡技術(shù)利用一些過時的，配置很低的服務(wù)器提供高性能的服務(wù)。

４）平臺無關(guān)性

做負(fù)載均衡的服務(wù)器與軟硬件平臺無關(guān)，只要基于TCP/IP協(xié)議就可以。

三、負(fù)載均衡的應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，很多系統(tǒng)都可以通過負(fù)載均衡技術(shù)來提高整個系統(tǒng)的性能。如圖1所示是硬件負(fù)載均衡典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1中，3臺硬件配置相同的服務(wù)器通過硬件負(fù)載均衡器做負(fù)載均衡，下面通過服務(wù)器全部正常工作和部分服務(wù)器出現(xiàn)故障兩種情況討論負(fù)載均衡在實際中的應(yīng)用。

1.服務(wù)器全部正常工作

來自于客戶端的所有請求，先到達(dá)負(fù)載均衡器，負(fù)載均衡器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的輪詢算法，將所有的請求全部轉(zhuǎn)發(fā)到3臺服務(wù)器上，3臺服務(wù)器接收處理請求數(shù)量的比率為1∶1∶1。

2.部分服務(wù)器出現(xiàn)故障

當(dāng)負(fù)載均衡器檢測到3臺服務(wù)器中的Server1出現(xiàn)故障的時候，它會自動旁路掉出現(xiàn)故障的服務(wù)器，將來自于客戶端的請求全部轉(zhuǎn)發(fā)到Server2和Server3上。當(dāng)Server1從故障恢復(fù)后，負(fù)載均衡器又會重新把請求分發(fā)給Server1、Server2和Server3上。

綜上所述，3臺服務(wù)器通過負(fù)載均衡后，性能提高了3倍，并且消除了應(yīng)用系統(tǒng)中的單點故障，達(dá)到了為用戶提供高質(zhì)量、高性能服務(wù)的目的。

四、結(jié)束語

負(fù)載均衡技術(shù)在越來越多的應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，在提供高質(zhì)量、高性能服務(wù)的同時，消除了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)中服務(wù)器的單點故障，節(jié)省了投資的成本，負(fù)載均衡技術(shù)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)中安全可靠的保障手段之一。

參考文獻(xiàn)：

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