一種基于負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

龔文濤， 郎穎瑩， 夏凌云

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 網(wǎng)絡(luò)及教育技術(shù)中心, 青島 266580； 2. 中國石油大學(xué)(華東)教育發(fā)展中心, 青島 266580)

一種基于負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

龔文濤1， 郎穎瑩2， 夏凌云1

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 網(wǎng)絡(luò)及教育技術(shù)中心, 青島 266580； 2. 中國石油大學(xué)(華東)教育發(fā)展中心, 青島 266580)

針對(duì)校外訪問教育網(wǎng)時(shí)網(wǎng)站速度慢的問題，分析和總結(jié)了運(yùn)營商和教育網(wǎng)的架構(gòu)層次，分析和總結(jié)了不同運(yùn)營商之間的訪問流程，提出了一種基于負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過將同域名的網(wǎng)站解析為不同運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IP地址，來提升不同運(yùn)營商訪問校內(nèi)資源的速度和質(zhì)量。

運(yùn)營商； 訪問； 負(fù)載均衡

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展[1、2]，特別是信息技術(shù)的日新月異，讓人們的生活和以往發(fā)生了巨大變化，遠(yuǎn)程視頻會(huì)議、辦公自動(dòng)化、在線視頻聊天、GPS導(dǎo)航等新技術(shù)一定程度提高了工作效率，提升了生活質(zhì)量，這一切和網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)密不可分。而網(wǎng)絡(luò)的載體，離不開網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商俗稱網(wǎng)絡(luò)提供商。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商為廣大的互聯(lián)網(wǎng)用戶提供各種多媒體服務(wù)和應(yīng)用平臺(tái)和各種網(wǎng)絡(luò)資源，提供各種域名服務(wù)等，針對(duì)中國來說，目前有影響力的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商有諸如中國聯(lián)通、中國移動(dòng)、中國電信，其為企業(yè)和家庭用戶提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和應(yīng)用平臺(tái)，一定程度改變了生活和休閑方式。而存在的問題是，當(dāng)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下要去訪問移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中資源和平臺(tái)的時(shí)候，速度和質(zhì)量往往不及訪問聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的相關(guān)資源，這說明，是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的互聯(lián)互通依然需要進(jìn)一步的強(qiáng)化和優(yōu)化[3]。

除中國聯(lián)通、中國移動(dòng)及中國電信外，還有一個(gè)有著巨大影響力的網(wǎng)絡(luò)，也即中國教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)CERNET(The China Education and Research Network)，又稱教育網(wǎng)。教育網(wǎng)主要面向全國的教育領(lǐng)域中各個(gè)教學(xué)管理部門、各個(gè)學(xué)校及二級(jí)科研單位，是由國家投資建設(shè)，由教育部負(fù)責(zé)管理，依托清華大學(xué)等高等學(xué)校來建設(shè)和管理運(yùn)行的全國性學(xué)術(shù)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。教育網(wǎng)是全國最大的公益性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是開展現(xiàn)代教育的重要平臺(tái)，依托教育網(wǎng)，將整個(gè)教育行業(yè)互聯(lián)互通[4]。

針對(duì)高校來說，一般高校都配備了教育網(wǎng)，教育網(wǎng)為高校的廣大教工和在校大學(xué)生以及科研人員提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定和資源豐富的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境，強(qiáng)化了高校之間的鏈路互聯(lián)和資源共享，強(qiáng)化了高校領(lǐng)域的信息交流和資源共享及科研合作[5、6]。

高校依托校園網(wǎng)，進(jìn)一步推動(dòng)信息化建設(shè)，進(jìn)一步提升了高校信息化集成水平。各種有獨(dú)具高校特色教學(xué)網(wǎng)站和應(yīng)用平臺(tái)應(yīng)用而生，廣大高校教師、教學(xué)管理人員、科研人員及大學(xué)生們均能夠通過教育網(wǎng)查詢教學(xué)信息，高校老師可以通過教育網(wǎng)來查詢教務(wù)處課程安排計(jì)劃、教學(xué)大綱及最新通知等；科研人員可以通過教育網(wǎng)來查詢科研管理平臺(tái)中各個(gè)科研項(xiàng)目的研究進(jìn)度及科研前沿信息；教學(xué)管理人員能夠通過辦公平臺(tái)查詢最新各項(xiàng)工作安排和進(jìn)度等，學(xué)生可以通過教育網(wǎng)查詢自己的成績及課程任務(wù)及學(xué)校新聞等。

基于教育網(wǎng)下的應(yīng)用系統(tǒng)集成平臺(tái)和網(wǎng)站，訪問需求最為強(qiáng)烈，訪問最為頻繁，如何進(jìn)一步改善在其他網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商環(huán)境下訪問教育網(wǎng)資源的體驗(yàn)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，針對(duì)此，基于負(fù)載均衡思想的解決方案是一種嘗試，基于此能通過域名映射將同一個(gè)域名解析成為不同的運(yùn)營商下的IP，一定程度能夠提升訪問效率和用網(wǎng)體驗(yàn)，本文提出一種基于負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，分析和總結(jié)了目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和教育網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層次關(guān)系，及互聯(lián)互通存在的一些問題，提出了基于不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商出口的負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過域名和對(duì)應(yīng)IP的映射提升其訪問體驗(yàn)。

1 運(yùn)營商層次架構(gòu)和訪問流程概述

1.1 運(yùn)營商層次架構(gòu)

教育網(wǎng)運(yùn)行著四級(jí)管理機(jī)制，從核心到接入依次是全國教育網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中心；教育網(wǎng)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中心和教育網(wǎng)地區(qū)主結(jié)點(diǎn)；省教育網(wǎng)教育科研網(wǎng)；校園網(wǎng)。CERNET目前已基本具備了連接全國大多數(shù)高等學(xué)校的聯(lián)網(wǎng)能力，并完成了CERNET主干網(wǎng)的升級(jí)擴(kuò)容、建成了一個(gè)大型的教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)，隨著教育網(wǎng)的不斷發(fā)展和深入應(yīng)用，新一代教育網(wǎng)將逐步成為未來教育信息化的基礎(chǔ)。

普通運(yùn)營商常見的是三層管理機(jī)制，從核心到接入依次是主干網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商；地區(qū)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商；本地網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商。

教育網(wǎng)及教育網(wǎng)平臺(tái)下的各種集成應(yīng)用系統(tǒng)極大程度方便了廣大師生的學(xué)習(xí)和生活，一定程度推進(jìn)了教學(xué)信息化。教育網(wǎng)也有局限性，覆蓋領(lǐng)域有局限性，其覆蓋范圍僅僅針對(duì)高校等教育領(lǐng)域，所以，針對(duì)學(xué)校內(nèi)部和教育網(wǎng)內(nèi)部，無論是訪問速度和用網(wǎng)體驗(yàn)均相對(duì)較好，而一當(dāng)教工和學(xué)生在非教育網(wǎng)涵蓋的地域訪問教育網(wǎng)資源，因?yàn)榻逃W(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的互聯(lián)互通的瓶頸，會(huì)導(dǎo)致很多高校教工和學(xué)生的在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)下訪問教育網(wǎng)資源的速度和質(zhì)量需要進(jìn)一步改善。

1.2 運(yùn)營商訪問流程

運(yùn)營商內(nèi)部訪問流程和跨運(yùn)營商的訪問流程，如圖1所示。

圖1 運(yùn)營商訪問流程圖

假設(shè)有在聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商下的用戶丙，其分別需要訪問在聯(lián)通運(yùn)營商下的服務(wù)器乙和教育網(wǎng)下的服務(wù)器甲，用戶丙訪問同運(yùn)營商下服務(wù)器乙的流程如下：

用戶丙→本地聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→聯(lián)通地區(qū)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→聯(lián)通主干網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→聯(lián)通地區(qū)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→本地聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→服務(wù)器乙。

其網(wǎng)絡(luò)流量和環(huán)節(jié)僅僅限于聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，涉及環(huán)節(jié)少，訪問速度相對(duì)快。

用戶丙訪問教育網(wǎng)下服務(wù)器甲的流程如下：

用戶丙→本地聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→聯(lián)通地區(qū)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→聯(lián)通主干網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商→教育網(wǎng)主干→教育網(wǎng)地區(qū)主節(jié)點(diǎn)→教育網(wǎng)省級(jí)節(jié)點(diǎn)→高校→服務(wù)器甲

其網(wǎng)絡(luò)流量和環(huán)節(jié)跨越了不同運(yùn)營商，涉及多，訪問速度相對(duì)慢。

2 基于負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

為其配置了中國聯(lián)通、中國移動(dòng)、中國電信及教育網(wǎng)等主流網(wǎng)絡(luò)出口，配置其域名和對(duì)應(yīng)的IP等核心參數(shù)，能夠完成其不同運(yùn)營商訪問同一個(gè)域名而解析對(duì)應(yīng)運(yùn)營商出口IP的功效，一定程度能夠提升用戶訪問的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，從而解決不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下訪問教育網(wǎng)資源慢的問題。

架構(gòu)中涉及到的中國聯(lián)通、中國移動(dòng)、中國電信及教育網(wǎng)的IP地址，均需配置出口的公網(wǎng)IP地址，因其需要發(fā)布網(wǎng)站，需要在相應(yīng)主管部門按要求對(duì)公網(wǎng)的IP地址及80端口備案。

2.2 DNS配置步驟

在前面工作做好后，還需在學(xué)校DNS域名服務(wù)器上面添加的記錄，將域名為sdns的解析擴(kuò)展為NS記錄此記錄指定負(fù)責(zé)此DNS區(qū)域的權(quán)威名稱服務(wù)器，依托NS(名稱服務(wù)器)將其擴(kuò)展為4個(gè)外網(wǎng)解析的IP地址，分別是指向中國聯(lián)通、中國移動(dòng)、中國電信、教育網(wǎng)等運(yùn)營商的IP地址，為負(fù)載均衡的各個(gè)接口做準(zhǔn)備。

sdns NS ns1.sdns.upc.edu.cn.

這個(gè)小區(qū)剛剛有過一起入室搶劫殺人案，如蕓知道，許元生也怕得要死，當(dāng)時(shí)拉著她的手都是哆嗦的，但他還是義無反顧地一直把她擋在身后。那一刻，她感受著他手里的溫度，心中糾結(jié)了很久的東西，一點(diǎn)點(diǎn)軟了下來，讓她重新審視了自己的內(nèi)心。

NS ns2.sdns.upc.edu.cn.

NS ns3.sdns.upc.edu.cn.

NS ns4.sdns.upc.edu.cn.

將upc.edu.cn域名服務(wù)器中對(duì)sdns解析權(quán)力交付給負(fù)載均衡服務(wù)器。該服務(wù)器上有針對(duì)性地配置中國聯(lián)通、中國移動(dòng)、中國電信及教育網(wǎng)等運(yùn)營商的公網(wǎng)IP地址，且均需要開通80端口，以便發(fā)布網(wǎng)站。

在upc.edu.cn域名解析服務(wù)器上面，配置解析對(duì)應(yīng)運(yùn)營商的公網(wǎng)IP地址，其格式為：

ns1.sdns A 中國聯(lián)通公網(wǎng)某IP

ns2.sdns A 中國移動(dòng)公網(wǎng)某IP

ns4.sdns A 教育網(wǎng)公網(wǎng)某IP

這樣針對(duì)同一個(gè)網(wǎng)站的域名，可以完成不同運(yùn)營商下的源IP解析為不同運(yùn)營商IP地址的功能，使其在同一個(gè)運(yùn)營商下訪問，減少了網(wǎng)絡(luò)訪問的環(huán)節(jié)，減少了跨不同運(yùn)營商的邊際路由的時(shí)間代價(jià)，提升訪問速度。

2.3 網(wǎng)站發(fā)布流程

在負(fù)載均衡后臺(tái)將需要發(fā)布的網(wǎng)站域名綁定在各個(gè)運(yùn)營商的接口公網(wǎng)IP上，將需要發(fā)布的網(wǎng)站域名和服務(wù)器的虛接口的地址。

最后將服務(wù)器真實(shí)IP地址和端口綁定，添加服務(wù)器的真實(shí)IP地址，且打開對(duì)外的虛擬接口，開通80端口，最后保存。

2.4 測(cè)試步驟

配置完畢，通過Ping命令來測(cè)試負(fù)載均衡后的域名解析效果。

在教育網(wǎng)環(huán)境下，ping一個(gè)負(fù)載均衡的服務(wù)器的域名，其解析成教育網(wǎng)的IP地址。Ping的過程中解析域名如下：

正在 Ping htet.sdns.upc.edu.cn [222.195.191.138] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):

來自 222.195.191.138 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間<1ms TTL=62

來自 222.195.191.138 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間<1ms TTL=62

來自 222.195.191.138 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間<1ms TTL=62

在聯(lián)通網(wǎng)環(huán)境下，ping一個(gè)負(fù)載均衡的服務(wù)器的域名，其解析成聯(lián)通網(wǎng)的IP地址。Ping的過程中解析域名如下：

正在 Ping htet.sdns.upc.edu.cn (need true informa-tion)[124.129.172.43] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):

來自124.129.172.43 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間<10ms TTL=162

來自124.129.172.43 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間<5ms TTL=262

來自124.129.172.43的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間<5ms TTL=362

通過Ping的簡單實(shí)例，驗(yàn)證了從不同運(yùn)營商的源IP訪問同一個(gè)域名能解析對(duì)應(yīng)的IP地址。

3 總結(jié)

本文分析和總結(jié)了運(yùn)營商和教育網(wǎng)的架構(gòu)層次，針對(duì)不同運(yùn)營商訪問教育網(wǎng)速度慢的問題，提出了一種基于負(fù)載均衡的解決方案，能夠?qū)⒉煌髁鞯倪\(yùn)營商下的訪問同一個(gè)網(wǎng)站解析成運(yùn)營商對(duì)應(yīng)的IP地址，一定程度緩解了跨運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)訪問環(huán)節(jié)多、速度慢的問題。

[1] 蔣江,張民選, 等.基于多種資源的負(fù)載均衡算法的研究[J] .電子學(xué)報(bào),2002,30(8):1148-1152.

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A Design of Load-balanced Network Architecture

Gong Wentao1,Lang Yingying2,Xia Lingyun1

(1.Internet and Education Technology Center,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,China; 2.Education Development Center,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)

In order to improve the speed of access to educational websites out side the school，the paper analyzes and summarizes the architecture levels of the internet service providers and education network, and analyzes the access process between different operators. The paper proposes a design of the load-balanced network architecture by changing the domain names into the different Internet service providers' IP to improve the speed of the access to the school website.

Internet service providera; Access; Load-balanced network

龔文濤(1984-)，男， 潛江人，中國石油大學(xué)(華東)網(wǎng)絡(luò)及教育技術(shù)中心，工程師，工學(xué)碩士，研究方向：訪問控制和網(wǎng)絡(luò)安全 郎穎瑩(1983-)，女，青島人，中國石油大學(xué)(華東)教育發(fā)展中心，工程師，工學(xué)碩士，研究方向：在線教育、系統(tǒng)研發(fā)和網(wǎng)絡(luò)安全 夏凌云(1980-)男，瀘州人，碩士，工程師，研究方向：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1007-757X(2017)02-0075-03

TP393

A

2016.05.05)