負(fù)載均衡在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

【摘要】信息時代的發(fā)展促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的使用呈指數(shù)級快速增長，更快捷、可靠以及功能更加豐富的網(wǎng)絡(luò)需求不斷增加，這使得站點(diǎn)的訪問負(fù)載也隨之增大。如何應(yīng)用更高的吞吐率，實(shí)現(xiàn)更好的交互性，滿足更高的網(wǎng)絡(luò)安全性，成為服務(wù)平臺必須要具備的能力。本文通過研究負(fù)載技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，選擇合適的負(fù)載均衡策略，建立可伸縮的高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，消除負(fù)載分布不均的情況，進(jìn)而解決網(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)傳輸擁擠、反應(yīng)時間長的技術(shù)瓶頸。

【關(guān)鍵詞】負(fù)載均衡；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用

1引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)服務(wù)成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，這樣的系統(tǒng)必須在滿足不斷增長性能需求的同時，提供高性能和可靠的服務(wù)。所以，如何建立高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是擺在研究者面前極富挑戰(zhàn)性的任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)負(fù)載均衡技術(shù)便是圍繞這一任務(wù)而產(chǎn)生的。

2負(fù)載均衡技術(shù)

負(fù)載均衡（Load Balance）是指均衡服務(wù)器和應(yīng)用程序之間的流量，它建立在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)框架上，通過一種有效的技術(shù)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行提高網(wǎng)絡(luò)的可用性和靈活性。針對網(wǎng)絡(luò)上負(fù)載過重的不同瓶頸，從網(wǎng)絡(luò)的不同層次來劃分，負(fù)載均衡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以分為客戶端負(fù)載均衡技術(shù)、應(yīng)用服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)、動態(tài)域名系統(tǒng)、高層協(xié)議交換、網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議交換和傳輸鏈路聚合六個層次。目前有許多不同的負(fù)載均衡技術(shù)用以滿足客戶差異性的需求。

（1）軟/硬件負(fù)載均衡。主要優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)境穩(wěn)定、配置簡單，操作靈活，可以滿足一般性的需要。硬件負(fù)載均衡在性能上要優(yōu)于軟件，不過其高昂的成本也限制了其發(fā)展。

（2）本地/全局負(fù)載均衡。本地負(fù)載可以充分利用現(xiàn)有的設(shè)備和服務(wù)器，通過靈活多樣的均衡策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的合理分配，進(jìn)行減小服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。當(dāng)需要對現(xiàn)有服務(wù)器升級時，只需要簡單的增加，而不用改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)框架。全局負(fù)載均衡主要用于在一個多區(qū)域擁有自己服務(wù)器的站點(diǎn)，可以使用戶以一個域名訪問到離自己最近的服務(wù)器，從而獲得最快的訪問速度，同時減輕了網(wǎng)絡(luò)擁擠的情況。

3負(fù)載均衡的策略

負(fù)載均衡策略的優(yōu)劣主要取決于兩個因素：一個是算法；一個是網(wǎng)絡(luò)檢測的方式與能力。

負(fù)載均衡算法是在考慮到各種服務(wù)請求，以及服務(wù)器的處理能力后，為了更加合理地把負(fù)載分配給內(nèi)部的多臺服務(wù)器而采用的調(diào)度算法。好的調(diào)度算法一方面要使每臺服務(wù)器都充分發(fā)揮各自的性能，又要使整個網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均勻。常用的算法有四種：輪詢算法、加權(quán)輪詢算法、最少連接算法、加權(quán)最小連接算法。

（1）輪詢算法是連接請求按順序輪流分配到不同的服務(wù)器上。但這種算法的問題在于不能根據(jù)服務(wù)器的性能、響應(yīng)時間等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)的分配請求，對所有的服務(wù)都平等對待。

（2）加權(quán)輪詢算法是對輪詢算法的改進(jìn)，用權(quán)值來計(jì)算每臺服務(wù)器的性能，進(jìn)行調(diào)度訪問請求。通過自動詢問服務(wù)器的真實(shí)負(fù)載情況來動態(tài)調(diào)整其權(quán)值。

（3）最少連接算法，是一種動態(tài)算法。它計(jì)算每臺服務(wù)器的連結(jié)數(shù)，進(jìn)而把請求分配給最少連接數(shù)的服務(wù)器。

（4）加權(quán)最小連接算法可以克服最少連接算法的單純考慮連接數(shù)的缺點(diǎn)，它為服務(wù)器組中每臺服務(wù)器分配一個可以衡量其性能的權(quán)值，該權(quán)值可以客觀上表示其處理的連接。在處理新的分配請求時，算法根據(jù)活動連接數(shù)與其權(quán)值的比值來決定該把請求分配給哪臺服務(wù)器。

有好的負(fù)載算法，還要有對網(wǎng)絡(luò)絡(luò)系統(tǒng)狀況的檢測方式和能力，這樣才能在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的情況下，保證數(shù)據(jù)請求不會丟失。目前常用的檢測主要有三種：Ping偵測、TCP Open偵測以及HTTP URL偵測。

（1）Ping偵測：通過ping的方式檢測服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀況。優(yōu)點(diǎn)是簡單快速，缺點(diǎn)是對服務(wù)器的應(yīng)用服務(wù)無法進(jìn)行檢測。

（2）TCP Open偵測：通過檢測服務(wù)器上某個TCP端口來判斷服務(wù)器的異常。常用的端口如Telnet的23端口，HTTP的80端口等。

（3）HTTP URL偵測：通過向HTTP服務(wù)器發(fā)出訪問請求來判斷服務(wù)器是否出現(xiàn)故障。

4負(fù)載均衡的應(yīng)用

4.1基于客戶端的負(fù)載均衡

這種模式指的是通過在網(wǎng)絡(luò)的客戶端運(yùn)行某個特定的程序來收集服務(wù)器的某些運(yùn)行參數(shù)，如CPU占用情況以及內(nèi)存等信息，再通過選擇某種負(fù)載均衡策略來決定把請求發(fā)送到某個服務(wù)器。這種技術(shù)要求每一個客戶端都必須安排這個采集程序，而且為了保證應(yīng)用層的透明運(yùn)行，必須對應(yīng)用程序加以修改，通過動態(tài)鏈接庫或者嵌入的方法，所以工作量比較大。在使用Java的構(gòu)架模型中應(yīng)用比較廣泛。主要在于Java應(yīng)用都基于虛擬機(jī)進(jìn)行，可以在應(yīng)用層和虛擬機(jī)之間設(shè)計(jì)一個中間層，可以處理負(fù)載均衡的工作。

4.2應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載均衡技術(shù)

基于客戶端的負(fù)載均衡需要對客戶端進(jìn)行特殊的修改，這樣增加了工作量。而針對應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載均衡技術(shù)將是將客戶端的負(fù)載均衡移植到一個中間平臺，通過中間層服務(wù)器將請求均衡地發(fā)送到各服務(wù)結(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這個技術(shù)比較常見的手段就是反向代理技術(shù)。這種技術(shù)可以在一定程度上提升靜態(tài)網(wǎng)頁的訪問速度，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。但是反向代理服務(wù)器在達(dá)到很高效率的同時也存在缺點(diǎn)，針對每次的代理，它必須維護(hù)內(nèi)外兩個連接，對代理服務(wù)器的負(fù)載就會加大，這樣會使反向代理服務(wù)器本身成為瓶頸。

4.3基于域名系統(tǒng)的負(fù)載均衡

基于域名系統(tǒng)的負(fù)載均衡技術(shù)是使用動態(tài)的DNS，為多個地址配置同一個名字，客戶機(jī)通過這個名字得到一個地址，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了不同的客戶訪問不同的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。優(yōu)點(diǎn)在于動態(tài)DNS輪詢實(shí)現(xiàn)起來簡單，無需更多的管理。但是它也存在不少問題，如無法判斷服務(wù)結(jié)點(diǎn)的有效性；受數(shù)據(jù)刷新時間過長，則可能獲得不同的IP地址，受數(shù)據(jù)刷新時間過短則會使DNS 流量大增造成額外的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；以及不能區(qū)分服務(wù)器的差異性，不能反映當(dāng)前服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)。因此，該技術(shù)的效果并不理想。

4.4網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議交換

通過交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)將外部的連接請求與內(nèi)部多個地址相聯(lián)系，通過建立虛擬的連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此，具備第四層交換能力的局域網(wǎng)交換機(jī)可以作為一種負(fù)載均衡器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。由于硬件系統(tǒng)本身的造價比較高，可以利用Linux 虛擬服務(wù)器，在相對高效穩(wěn)定的核心空間進(jìn)行IP包的數(shù)據(jù)處理工作，增加靈活性的同時也減少了成本。

5結(jié)束語

無論是采用軟件方式，或者是購買高性能的第四層交換機(jī)，或者是其它種類的均衡技術(shù)，在設(shè)計(jì)負(fù)載均衡方案的時候都要考慮到系統(tǒng)的性能，做到可擴(kuò)展，易管理，保證系統(tǒng)的靈活性和可靠性，進(jìn)行保證網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行。

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作者簡介：

黃濤（1979-），男，新疆大學(xué)，在職研究生，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任新疆塔城地區(qū)公安消防支隊(duì)作戰(zhàn)指揮中心副主任，長期從事消防通信工作；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與管理。endprint