一種高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理的方法及系統(tǒng)

1 引言

隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的飛速發(fā)展，依托對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集處理，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展迅猛，極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)效率，改善了民眾社會(huì)生活水平，與此同時(shí)帶來(lái)了爆炸式增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理的性能和穩(wěn)定性提出了極高的要求[1]。

目前，針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)與應(yīng)用需要，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行采集處理，主流的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)主要包括：匯聚交換設(shè)備、采集處理單元、組網(wǎng)交換機(jī)等，根據(jù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行采集處理[2]?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中，匯聚交換設(shè)備依據(jù)LAN端口的電氣狀態(tài)，判斷采集處理單元的端口和鏈路是否正常[3,4]。若端口狀態(tài)和鏈路都正常的情況下，因匯聚交換設(shè)備未知的硬件故障導(dǎo)致LAN端口通信中斷，或采集處理單元出現(xiàn)異常時(shí)，這將導(dǎo)致匯聚交換設(shè)備無(wú)法正常判斷，數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳輸會(huì)造成丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定[5]。

綜上所述，需要研究一種高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理的方法，能夠監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟硬件的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確快速地判斷軟硬件故障，能準(zhǔn)實(shí)時(shí)地將故障端口、單元對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)均分到其他正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集處理單元，保障系統(tǒng)運(yùn)行正常、網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，真正實(shí)現(xiàn)高可用的負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，具有重要的意義。

2 高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由匯聚交換設(shè)備、采集處理單元、組網(wǎng)交換機(jī)等組成，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，各部分描述如下：

圖1 高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

（1）外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：通過(guò)鏈路與匯聚交換設(shè)備的WAN端口相連，能夠進(jìn)行雙向通信；

（2）匯聚交換設(shè)備：按負(fù)載均衡策略把流量均衡地從LAN端口組輸出；

（3）采集處理單元：根據(jù)LAN端口的總數(shù)，按平均分配的原則，與匯聚交換設(shè)備的LAN端口對(duì)接，每個(gè)采集處理單元可以接入一條或多條鏈路；根據(jù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)需要對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理、轉(zhuǎn)發(fā)等。

（4）轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)流向：由LAN端口輸入到匯聚交換設(shè)備，經(jīng)匯聚交換設(shè)備把數(shù)據(jù)從對(duì)應(yīng)的WAN端口輸出；

（5）通信方式：匯聚交換設(shè)備、采集處理單元的管理通信網(wǎng)口連接到組網(wǎng)交換機(jī)，相互進(jìn)行通信。

2.1 高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)整體架構(gòu)拆分分析，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，各部分的邏輯描述如下：

圖2 高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的整體架構(gòu)

（1）為每個(gè)采集處理單元分配一個(gè)按數(shù)字遞增的唯一主機(jī)ID，從1開(kāi)始。同時(shí)配置在線采集處理單元的總數(shù)、對(duì)應(yīng)的LAN端口號(hào)等信息，這些信息記錄到配置文件；

（2）每個(gè)采集處理單元除了部署網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包采集、處理的相關(guān)功能模塊外，還需部署系統(tǒng)監(jiān)控模塊，分為主控狀態(tài)和備用狀態(tài)；

（3）各采集處理單元的系統(tǒng)監(jiān)控模塊按如下規(guī)則確定主控、備用狀態(tài)：所有當(dāng)前正常運(yùn)行的采集處理單元中，主機(jī)ID最小的系統(tǒng)監(jiān)控模塊為主控狀態(tài)，其他采集處理單元中的系統(tǒng)監(jiān)控模塊為備用狀態(tài)；

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們獲取信息的方式和媒介信息傳播的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變革。在信息傳播格局深刻變化的新時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)媒介信息宣傳工作必須跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，著力打造行業(yè)特色信息傳播平臺(tái)，通過(guò)多種媒介語(yǔ)言講好文化故事。網(wǎng)絡(luò)編輯只有主動(dòng)適應(yīng)新形勢(shì)，把握新機(jī)遇，將新技術(shù)、新手段運(yùn)用于媒介信息宣傳工作的創(chuàng)新實(shí)踐中，才能為優(yōu)化信息傳播工作提供更便捷、更實(shí)用、更有效的載體。

（5）主系統(tǒng)監(jiān)控模塊的功能有：監(jiān)控其他采集處理單元的心跳情況，當(dāng)某個(gè)采集處理單元的心跳發(fā)生超時(shí)，關(guān)閉故障對(duì)應(yīng)的LAN端口，把數(shù)據(jù)負(fù)載均衡地分配到其他正常運(yùn)行的采集處理單元，如圖3所示；

（6）備系統(tǒng)監(jiān)控模塊的功能有：監(jiān)控其他采集處理單元的心跳情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)采集處理單元的心跳發(fā)生超時(shí)，判斷自身主機(jī)ID是否為當(dāng)前在線正常運(yùn)行采集處理單元中最小的，如果不是，則不需處理，否則將自身狀態(tài)切換為主控狀態(tài)，關(guān)閉故障對(duì)應(yīng)的LAN端口，把數(shù)據(jù)負(fù)載均衡地分配到其他正常運(yùn)行的采集處理單元，如圖4所示。

2.2 高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的方案邏輯

針對(duì)系統(tǒng)的采集處理過(guò)程，通過(guò)主控、備用兩種通信方式的結(jié)合，具有了雙重保障，可實(shí)現(xiàn)高效和可靠的故障判斷，避免誤判，各部分設(shè)定的邏輯描述如下：

（1）當(dāng)主系統(tǒng)監(jiān)控模塊所在的采集處理單元出現(xiàn)故障時(shí)，則由其他正常運(yùn)行采集處理單元中主機(jī)ID最小的系統(tǒng)監(jiān)控模塊接替為主控狀態(tài)，邏輯描述如圖3所示；

圖3 主系統(tǒng)監(jiān)控模塊異常處理邏輯描述圖

（2）當(dāng)原主系統(tǒng)監(jiān)控模塊所在的采集處理單元恢復(fù)正常時(shí)，由于其主機(jī)ID是當(dāng)前最小的，所以重新成為主系統(tǒng)監(jiān)控模塊，而之前接替為主系統(tǒng)監(jiān)控模塊判斷到有主機(jī)ID更小的采集處理單元激活，則退出主控狀態(tài)，切換為備用狀態(tài)，邏輯描述如圖4所示；

（3）采集處理單元通過(guò)LAN端口發(fā)送心跳消息（包含自身主機(jī)ID信息），由匯聚交換設(shè)備廣播到其他采集處理單元，每個(gè)采集處理單元根據(jù)其他采集處理單元的心跳情況，從而確定它們的運(yùn)行狀態(tài)；

（4）采集處理單元還能通過(guò)組網(wǎng)交換機(jī)這條通信途徑相互通信，用于主系統(tǒng)監(jiān)控模塊確認(rèn)采集處理單元的故障情況（某臺(tái)采集處理單元的心跳超時(shí)），立刻通過(guò)組網(wǎng)交換機(jī)向疑似故障采集處理單元的系統(tǒng)監(jiān)控模塊發(fā)送異常確認(rèn)請(qǐng)求消息，如果收到確認(rèn)回復(fù)消息或響應(yīng)超時(shí)，則判定其出現(xiàn)故障。

圖4 主系統(tǒng)監(jiān)控模塊恢復(fù)正常邏輯描述圖

2.3 負(fù)載均衡策略

2.4 高可用策略

按照主從方式配置：主機(jī)工作，備機(jī)處于監(jiān)控準(zhǔn)備狀況；當(dāng)主機(jī)宕機(jī)時(shí)，備機(jī)接管主機(jī)的一切工作，待主機(jī)恢復(fù)正常后，按使用者的設(shè)定以自動(dòng)或手動(dòng)方式將服務(wù)切換到主機(jī)上運(yùn)行，數(shù)據(jù)的一致性通過(guò)共享存儲(chǔ)系統(tǒng)解決。

高可用策略能夠在匯聚交換設(shè)備LAN端口、鏈路、采集處理單元端口出現(xiàn)故障、采集處理單元掉電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失、網(wǎng)絡(luò)不中斷；同時(shí)也能保證匯聚交換設(shè)備因監(jiān)測(cè)不到的硬件故障導(dǎo)致LAN端口通信中斷，或者采集處理單元在操作系統(tǒng)死機(jī)、采集處理軟件出現(xiàn)故障、采集處理單元在線更新升級(jí)時(shí)，達(dá)到數(shù)據(jù)不丟失、業(yè)務(wù)不中斷、網(wǎng)絡(luò)無(wú)感知的效果。

2.5 整體方案流程

整體方案流程如圖5所示，詳細(xì)的處理流程描述如下：

（1）采集處理單元啟動(dòng)完成后，采集處理模塊按定義的時(shí)間間隔（每5毫秒）從LAN端口發(fā)送心跳消息，心跳消息包含自身的主機(jī)ID信息，由匯聚交換設(shè)備廣播到其他采集處理單元。采集處理模塊發(fā)送心跳的同時(shí)把時(shí)間戳記錄到共享內(nèi)存，精確到毫秒。

（2）當(dāng)采集處理單元在采集數(shù)據(jù)時(shí)，收到其他采集處理單元發(fā)送的心跳消息后，把該主機(jī)ID和心跳時(shí)間戳記錄到共享內(nèi)存，精確到毫秒。

（3）每個(gè)采集處理單元的系統(tǒng)監(jiān)控模塊每5 ms讀取一次共享內(nèi)存，檢查自身及其他采集處理單元的心跳消息時(shí)間戳，如果自身的心跳時(shí)間戳超過(guò)15 ms沒(méi)有更新，說(shuō)明采集處理模塊連續(xù)缺少3個(gè)心跳消息，可確認(rèn)其出現(xiàn)異常，在收到其他采集處理單元發(fā)送過(guò)來(lái)的異常確認(rèn)請(qǐng)求消息時(shí)回復(fù)確認(rèn)消息；如果其他采集處理單元的心跳時(shí)間戳超過(guò)15 ms沒(méi)有更新，說(shuō)明該采集處理單元連續(xù)缺少3個(gè)心跳消息，已經(jīng)出現(xiàn)異常，不能正常發(fā)送心跳消息。

（4）主控狀態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)控模塊監(jiān)測(cè)到其他采集處理單元出現(xiàn)異常后，立刻通過(guò)組網(wǎng)交換機(jī)的通信途徑向異常單元的系統(tǒng)監(jiān)控模塊發(fā)送異常確認(rèn)請(qǐng)求消息，如果收到確認(rèn)回復(fù)或響應(yīng)超時(shí)，則判定該單元異常，把匯聚交換設(shè)備對(duì)應(yīng)的LAN端口設(shè)置為不可用狀態(tài)，流量不再向其分流；如果收到采集處理單元正常運(yùn)行的回復(fù)消息，則認(rèn)為是匯聚分流設(shè)備的原因?qū)е拢骺叵到y(tǒng)監(jiān)控模塊不需操作，由另外的匯聚交換設(shè)備的保護(hù)機(jī)制實(shí)施保護(hù)措施。

（5）如果備用狀態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)控模塊檢測(cè)到其他備用狀態(tài)的采集處理單元心跳超時(shí)，由于自身主機(jī)ID非當(dāng)前最小，所以不需進(jìn)行任何操作。

（6）如果備用狀態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)控模塊檢測(cè)到主控狀態(tài)的采集處理單元心跳超時(shí)，則判斷自身主機(jī)ID是否僅次于主控采集處理單元，如果是，則將自己切換成主控狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)組網(wǎng)交換機(jī)的通信途徑向原主控采集處理單元的系統(tǒng)監(jiān)控模塊發(fā)送異常確認(rèn)請(qǐng)求消息，如果收到確認(rèn)回復(fù)或響應(yīng)超時(shí)，則判定該單元異常，把匯聚交換設(shè)備對(duì)應(yīng)的LAN端口設(shè)置為不可用狀態(tài)，流量不再向其分流，如果收到原主控采集處理單元正常運(yùn)行的回復(fù)消息，則認(rèn)為是匯聚分流設(shè)備的原因?qū)е?，不需進(jìn)行任何操作，由另外的匯聚交換設(shè)備的保護(hù)機(jī)制實(shí)施保護(hù)措施。

圖5 高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的方案處理流程圖

3 結(jié)論

本文所提的高可用負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理的方法及系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)潔的通信協(xié)議，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂七壿?，在不增加硬件成本的情況下能夠監(jiān)測(cè)軟硬件的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)軟硬件故障時(shí)能準(zhǔn)確、快速地判斷故障，特別適用在綜合門(mén)戶(hù)系統(tǒng)、電子政務(wù)系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)等需要大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集及處理的場(chǎng)景中應(yīng)用。