分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展脈絡(luò)

鄒盼盼

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 湖北省 武漢市 4300470）

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)水平和控制需求的不斷提高，一些大型的系統(tǒng)產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)，這些給系統(tǒng)和服務(wù)器帶來了巨大的壓力，并且各節(jié)點(diǎn)處理能力不同，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配不均，造成部分節(jié)點(diǎn)重載、輕載或空載，基于此，必須采取負(fù)載均衡的措施，本文主要對(duì)分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行分析，并從分析結(jié)果中得到了有益的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：負(fù)載均衡；靜態(tài)；動(dòng)態(tài)

1.引言

負(fù)載均衡，就是將工作任務(wù)分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)操作單元上進(jìn)行執(zhí)行，例如服務(wù)器等，從而共同完成工作任務(wù)。而分布式是指將不同的業(yè)務(wù)分布在不同的地方，分布式的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都完成不同的業(yè)務(wù)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)垮了，那這個(gè)業(yè)務(wù)就不可訪問了，為了讓多節(jié)點(diǎn)能更好的完成任務(wù)，盡量消除或避免現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布不均，數(shù)據(jù)流擁擠，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問題，人們提出了多種負(fù)載均衡的算法，主要為靜態(tài)負(fù)載均衡算法和動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法。

2.分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展脈絡(luò)

分布式負(fù)載均衡技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，并且是提高服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力及網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性的重要方法。關(guān)于分布式負(fù)載均衡領(lǐng)域的技術(shù)主要細(xì)分為：靜態(tài)負(fù)載均衡算法、動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的算法，其中，靜態(tài)負(fù)責(zé)均衡在進(jìn)行負(fù)責(zé)均衡時(shí)不需要知道集群中當(dāng)前各結(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀態(tài)，只是根據(jù)集群中各結(jié)點(diǎn)處理能力上的差異，按事先確定好的分發(fā)策略將任務(wù)相應(yīng)地分配到各個(gè)服務(wù)器，而動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡通過應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)地分析數(shù)據(jù)包，獲取集群中各服務(wù)器的當(dāng)前負(fù)載狀態(tài)及數(shù)據(jù)流量狀況，把任務(wù)動(dòng)態(tài)地合理地分配到各個(gè)服務(wù)器，而隨著需求的增長(zhǎng)和技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了結(jié)合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡技術(shù)。通過對(duì)分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)路線進(jìn)行研究，有助于了解分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，并且預(yù)測(cè)未來的發(fā)展方向。

2.1靜態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)分析

靜態(tài)負(fù)載均衡是早期的分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡技術(shù)，它根據(jù)系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)做出決策，而忽略系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)載狀況，經(jīng)常用于任務(wù)比較確定的情況下。主要技術(shù)的核心專利如下：

（1）輪詢算法：CN1507225A（華為技術(shù)有限公司2002年申請(qǐng)）公開了一種實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備高速端口的裝置，該裝置使用負(fù)載均衡算法，將從高速總線接口模塊接收的高速數(shù)據(jù)流均勻地負(fù)荷分擔(dān)為N路數(shù)據(jù)，分別發(fā)送給N個(gè)低速總線接口，在下行將從N個(gè)低速總線接口接收的N路數(shù)據(jù)輪詢發(fā)送給高速總線接口模塊。

（2）比率算法：CN1570903A（華為技術(shù)有限公司2003年申請(qǐng)）公開了一種服務(wù)器負(fù)載均衡方法，本方法基于服務(wù)器權(quán)值和概率統(tǒng)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，利用本發(fā)明，既可保證較快的負(fù)載均衡調(diào)度速度，從統(tǒng)計(jì)角度上也使得權(quán)值高的服務(wù)器提供較多的接入服務(wù)次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）優(yōu)先權(quán)算法：CN1450765A（日本電氣株式會(huì)社2003年申請(qǐng)）公共了一種用于向多個(gè)內(nèi)容服務(wù)器中的一個(gè)客戶端分配內(nèi)容發(fā)送的服務(wù)器負(fù)載平衡系統(tǒng)，通過至少使用所述內(nèi)容的特性以及資源信息，優(yōu)先級(jí)別被設(shè)置在向其傳送由客戶端接收的所述內(nèi)容發(fā)送請(qǐng)求的各個(gè)內(nèi)容服務(wù)器中，并且根據(jù)所述資源信息的變化重新設(shè)置優(yōu)先級(jí)別。

2.2動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)分析

隨著動(dòng)態(tài)、多媒體網(wǎng)絡(luò)信息的大量應(yīng)用，靜態(tài)的權(quán)值信息不能表現(xiàn)動(dòng)態(tài)的負(fù)載特征，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，將導(dǎo)致集群負(fù)載分布的不平衡，此時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡主要適用于大規(guī)模的、異構(gòu)的、提高動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)信息服務(wù)的系統(tǒng)，相對(duì)于靜態(tài)負(fù)載均衡，它具有更大的靈活性和針對(duì)性，是后期研究的熱點(diǎn)。主要技術(shù)的核心專利如下：

（1）最少連接數(shù)算法：CN1567173A（華為技術(shù)有限公司2003年申請(qǐng)）公開了一種加權(quán)最小連接數(shù)調(diào)度的服務(wù)器負(fù)載均衡方法，負(fù)載均衡調(diào)度時(shí)，遍歷所有所述近似地表示當(dāng)前服務(wù)的負(fù)載狀況的所述狀態(tài)中的第一預(yù)定的數(shù)據(jù)項(xiàng)，選擇最小的第一預(yù)定的數(shù)據(jù)項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的服務(wù)器接入，同時(shí)修改數(shù)據(jù)項(xiàng)，利用本發(fā)明的方法，可以減少負(fù)載均衡調(diào)度的運(yùn)算量，加快調(diào)度速度。

（2）哈希算法：CN102033938A（天津神舟通用數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司2010年申請(qǐng)）公開了基于一種二級(jí)映射的方法來實(shí)現(xiàn)滿足負(fù)載均衡的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展技術(shù)，本發(fā)明使用了二級(jí)映射方法，既保留了集群中常用的hash分發(fā)方法的數(shù)據(jù)分布負(fù)載均衡特點(diǎn)，又支持了動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的需要，同時(shí)利用了元數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)特性保證了對(duì)二級(jí)映射表更新時(shí)的讀寫隔離性，保證了擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)在線。

（3）自適應(yīng)算法：CN102279771A（北京航空航天大學(xué)2011年申請(qǐng)）公開了一種虛擬化環(huán)境中自適應(yīng)按需資源分配的系統(tǒng)及其方法，1-PM：N-VM模塊根據(jù)實(shí)時(shí)收集的用戶體驗(yàn)進(jìn)行一臺(tái)物理機(jī)上資源的分配，動(dòng)態(tài)感知請(qǐng)求分發(fā)模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用請(qǐng)求負(fù)載信息和虛擬機(jī)容量信息把負(fù)載分發(fā)到合適的虛擬機(jī)上對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，數(shù)據(jù)中心全局管理模塊根據(jù)收集的物理機(jī)資源負(fù)載信息決定是否需要虛擬機(jī)在物理機(jī)之間進(jìn)行遷移以重新進(jìn)行放置，在物理機(jī)過量或不足時(shí)是否向空閑資源池釋放或申請(qǐng)新的物理機(jī)以退出或加入應(yīng)用的服務(wù)。

（4）動(dòng)態(tài)性能分配算法：CN101256515A（浙江大學(xué)2008年申請(qǐng)）公開了一種多核處理器操作系統(tǒng)負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)方法，是通過對(duì)多核處理器操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)負(fù)載情況進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)的負(fù)載情況對(duì)線程進(jìn)行分配，本方法實(shí)現(xiàn)多核處理器操作系統(tǒng)負(fù)載的均衡，從而提高多處理器核的執(zhí)行效率。

2.3結(jié)合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡技術(shù)分析

結(jié)合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地負(fù)載均衡是介于靜態(tài)負(fù)載均衡和動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡之間的一種平衡策略，對(duì)于已確定的任務(wù)采用靜態(tài)策略，對(duì)于隨機(jī)的、不可預(yù)見的任務(wù)采用動(dòng)態(tài)策略。相關(guān)的核心專利如下：

CN103401939A（中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五七研究所2013年申請(qǐng)）公開了一種采用混合調(diào)度策略的負(fù)載均衡方法，本發(fā)明采用混合調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)分配的結(jié)合，能使系統(tǒng)資源消耗和負(fù)載均衡性能達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡；負(fù)載指標(biāo)評(píng)價(jià)全面，綜合考慮了單個(gè)節(jié)點(diǎn)自身各性能參數(shù)的使用情況和集群中不同節(jié)點(diǎn)的性能差異；服務(wù)器權(quán)值設(shè)置更加符合實(shí)際情況。

3.結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)水平和控制需求的不斷提高，面對(duì)大型的系統(tǒng)中海量的數(shù)據(jù)處理需求，在保證高資源利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)，還需要保證各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，為此分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡技術(shù)經(jīng)歷了從靜態(tài)負(fù)載均衡到動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡，再到結(jié)合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡的階段，從而既能得到較好的負(fù)載均衡效果，又不會(huì)因?yàn)樗惴ū容^復(fù)雜進(jìn)而產(chǎn)生一定的額外開銷，即有效地提高分布式系統(tǒng)的性能和效率。

通過分析分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡技術(shù)發(fā)展及其未來的發(fā)展趨勢(shì)，除了使得社會(huì)公眾對(duì)分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡的技術(shù)有了宏觀的了解與把握，并且可供本領(lǐng)域技術(shù)人員研發(fā)時(shí)參考，還有利于審查員在審查實(shí)踐中準(zhǔn)確把握此類專利技術(shù)所處的發(fā)展階段，提高檢索效率。

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