關(guān)于集群安全域邊界設(shè)備負(fù)載均衡策略的研究與優(yōu)化?

曹波 余錚 楊杉

關(guān)于集群安全域邊界設(shè)備負(fù)載均衡策略的研究與優(yōu)化?

曹波 余錚 楊杉

（國網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司 武漢 430077）

安全域邊界設(shè)備是目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備之一。隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的日益增加，其承受的負(fù)載壓力也逐漸增大，尤其對(duì)處于數(shù)據(jù)傳輸樞紐位置的大型信息處理單位而言，僅依靠單臺(tái)設(shè)備已無法滿足對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾與保護(hù)的需求。將安全域邊界設(shè)備集群化，共同分?jǐn)偞笠?guī)模數(shù)據(jù)包的處理需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的并行分析和處理，以提高該類系統(tǒng)的性能表現(xiàn)已經(jīng)勢在必行。在集群設(shè)備的優(yōu)化技術(shù)中，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)就在于負(fù)載均衡策略的選擇與應(yīng)用。論文對(duì)集群安全與邊界設(shè)備的負(fù)載均衡策略進(jìn)行研究，提出一種基于動(dòng)態(tài)自適應(yīng)算法的全新解決方案。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該策略明顯提高了集群系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，有效改善了數(shù)據(jù)處理的效率、可靠性和安全性。

集群安全域邊界設(shè)備；負(fù)載均衡；哈希函數(shù)；權(quán)值

AbstractSecurity domain boundary equipment is one of the most widely used network security devices.With the increase of network traffic，the equipment load pressure is gradually increased.Especially for large information processing unit which is in the position of data transmission hub，this pressure has led to these units have been unable to meet the needs of large scale data filtering and protection by a single device.It is imperative to improve the performance of this kind of system by clustering security domain boundary equipments，sharing the processing requirements for large scale data packets and realizing the parallel analysis and pro?cessing of packets.For the optimization technology of cluster equipment，the key link is the selection and application of load balanc?ing strategy.A new solution based on dynamic adaptive algorithm is proposed in this paper by research on load balancing strategy of cluster security and border equipment.Simulation results show that the proposed method could significantly improve the data throughput of the cluster system and effectively improve the efficiency，reliability and security of data processing.

Key Wordscluster security domain boundary equipment，load balancing，hash function，weight

Class NumberTP393

1 引言

集群安全域邊界設(shè)備（Cluster Security Domain Boundary Device，CSDBD）可很好地集成和協(xié)調(diào)硬件設(shè)備資源，將原來由單臺(tái)設(shè)備處理的大規(guī)模數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移到多臺(tái)設(shè)備中并行處理，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性能的提升是顯而易見的，原本由于數(shù)據(jù)過濾而造成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延也被有效地壓縮，提高了用戶使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)的體驗(yàn)度；另一方面，集群設(shè)備的使用，大大增加了安全域邊界設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，即使系統(tǒng)中的某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障而失效，也不會(huì)對(duì)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全造成影響。目前，集群安全域邊界設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在需要實(shí)時(shí)處理大規(guī)模數(shù)據(jù)包的信息通信單位更是必不可缺的重要設(shè)備。在CSDBD系統(tǒng)中，由于需要協(xié)同工作，共同分?jǐn)倲?shù)據(jù)包的處理需求，因此負(fù)載均衡策略對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率而言，起到了至關(guān)重要的影響作用。

目前已有眾多專家學(xué)者對(duì)均衡策略的優(yōu)化進(jìn)行了研究，基本上可以將這些研究方向分為兩類，即靜態(tài)優(yōu)化算法和動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法。前者的代表算法為輪詢策略，對(duì)集群中的所有節(jié)點(diǎn)輪流發(fā)送等量的數(shù)據(jù)包以實(shí)現(xiàn)分?jǐn)傂Ч撍惴▽?shí)現(xiàn)簡單，復(fù)雜度低，不用考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)狀態(tài)，也不用考慮當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的通信狀況，可靠性較好，但缺點(diǎn)是無法兼顧集群內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)的處理性能，負(fù)載分配不夠均勻，容易出現(xiàn)高性能設(shè)備空閑而低性能設(shè)備擁塞的情況，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)群發(fā)生變化時(shí)也無法自動(dòng)調(diào)整，因此適用范圍較窄；而動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法周期性地采集系統(tǒng)參數(shù)，并可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以此判斷當(dāng)前集群內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作性能和負(fù)載能力，從而有針對(duì)性的對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合適的流量分配，以實(shí)現(xiàn)較好的負(fù)載均衡質(zhì)量。本文首先分析了集群安全域邊界設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，以及對(duì)負(fù)載均衡質(zhì)量產(chǎn)生影響的各個(gè)因素，并在此技術(shù)上設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)負(fù)載均衡算法，在確保負(fù)載分配的合理性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了將來自同一連接的網(wǎng)絡(luò)流量由相同的節(jié)點(diǎn)處理這一功能，提高了數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性和連貫性。

2 CSDBD系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能劃分模式，可將CSDBD系統(tǒng)分為三個(gè)部件，分別為負(fù)載均衡子系統(tǒng)、容錯(cuò)防火墻子系統(tǒng)和在線監(jiān)控子系統(tǒng)，各部件之間關(guān)聯(lián)如圖1所示。

圖1 CSDBD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

集群設(shè)備在接收到用戶數(shù)據(jù)包后，首先將其交由負(fù)載均衡子系統(tǒng)進(jìn)行分配，在這一環(huán)節(jié)將使用負(fù)載均衡算法對(duì)集群內(nèi)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行分析和處理，盡可能地將數(shù)據(jù)包根據(jù)各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前處理能力進(jìn)行合理分配，根據(jù)此種方式，數(shù)據(jù)包流向了下一部件，即容錯(cuò)子系統(tǒng)，在此處進(jìn)行數(shù)據(jù)包的過濾操作，系統(tǒng)根據(jù)集中記錄的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行篩選，將匹配命中的數(shù)據(jù)包截留下來，同時(shí)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)則集和連接狀態(tài)共享，以提高系統(tǒng)防范能力和容錯(cuò)性；在線監(jiān)控子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測與管理，如規(guī)則集的維護(hù)與調(diào)整，對(duì)某設(shè)備的故障予以記錄和報(bào)警等。可以看出，在整個(gè)操作流程當(dāng)中，負(fù)載均衡作為起始操作環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的高低直接對(duì)后續(xù)操作環(huán)節(jié)產(chǎn)生重要的影響，合理的優(yōu)化策略帶來的系統(tǒng)整體性能的提升也將會(huì)非常顯著。

3 負(fù)載均衡需采集的參數(shù)分析

如前文所述，動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略的目標(biāo)不是單純地將數(shù)據(jù)流量等分至每個(gè)節(jié)點(diǎn)，而是需要根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理能力有針對(duì)性的合理分配，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分配之前，準(zhǔn)確的采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)信息就成了分配策略正常工作的前提條件。

為了能動(dòng)態(tài)自適應(yīng)地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)載均衡，必須采用可靠的參數(shù)采集和傳輸機(jī)制來對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前性能進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，而合理的選擇反映集群中某一節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)就成為了該優(yōu)化算法成功與否的關(guān)鍵。在本文涉及的自適應(yīng)負(fù)載均衡優(yōu)化算法中，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的采集以下參數(shù)：1）CPU利用率CPUi%；2）內(nèi)存利用率MEMi%；3）當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量Ti；4）當(dāng)前連接數(shù)Ci；5）響應(yīng)時(shí)間 RTi。

在確定采集參數(shù)類型之后，還需要進(jìn)一步對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行權(quán)重的預(yù)設(shè)，以便根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的不斷變化靈活地調(diào)整該節(jié)點(diǎn)的任務(wù)量。在集群的節(jié)點(diǎn)初次投入使用時(shí)，僅根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的硬件配置給予其初始權(quán)重，配置水平越高權(quán)重值越大。在投入使用以后，隨著節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作，負(fù)載也在不斷的動(dòng)態(tài)變化，后續(xù)的權(quán)重調(diào)節(jié)也必須將這一變化因素加以考量，如某一節(jié)點(diǎn)雖然硬件性能水平高，但在某一時(shí)期內(nèi)負(fù)載量很大，此時(shí)應(yīng)下調(diào)該節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值，以便減少該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包分配數(shù)量；反之，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)雖然性能較低，但目前處于空閑狀態(tài)，則應(yīng)上調(diào)其權(quán)重值，讓其承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。自適應(yīng)動(dòng)態(tài)均衡算法就是根據(jù)對(duì)權(quán)重的調(diào)整來均衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

另一方面，考慮到不同應(yīng)用場合對(duì)參數(shù)的側(cè)重也存在差異，因此對(duì)本文列出的幾種影響參數(shù)，可設(shè)定一個(gè)常量系數(shù)λi，表示各個(gè)負(fù)載參數(shù)的重要程度，顯然應(yīng)有∑λi=1。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，也可隨時(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前主要的應(yīng)用服務(wù)需求。從動(dòng)態(tài)調(diào)整周期方面分析，雖然實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化最為敏感，但由于頻繁地采集數(shù)據(jù)、分析計(jì)算、修正參數(shù)等操作會(huì)大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，耗費(fèi)了大量的系統(tǒng)資源，也會(huì)導(dǎo)致處理時(shí)延的上升，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈抖動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也構(gòu)成了嚴(yán)重影響，因此參考其他類似系統(tǒng)的設(shè)定，本CSDBD系統(tǒng)給出的合理調(diào)整周期為5s～10s之間；另一方面，若該系統(tǒng)被應(yīng)用在穩(wěn)定性能需求很高的場合時(shí)，還可啟用加權(quán)平均算法或滑動(dòng)窗口協(xié)議來控制抖動(dòng)的程度。

4 負(fù)載均衡優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

4.1 算法流程設(shè)計(jì)

整個(gè)集群設(shè)備通過交換機(jī)與外部/內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能得到所有來自外部網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。在初始化配置時(shí)，利用IP數(shù)據(jù)報(bào)首部解析出相關(guān)的源目的地址、源目的端口和協(xié)議號(hào)這五個(gè)信息值，并將其作為哈希函數(shù)的輸入?yún)?shù)，計(jì)算得到該集群哈希值。隨后統(tǒng)計(jì)集群內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，將集群哈希值均分到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能得到一個(gè)權(quán)值區(qū)間。當(dāng)集群各某節(jié)點(diǎn)收到一IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，首先從其首部中提取出上述5種信息值，并參與哈希函數(shù)的運(yùn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否落在本節(jié)點(diǎn)占有的值域范圍，若是則接受并處理，同時(shí)在系統(tǒng)維護(hù)表中記錄該數(shù)據(jù)報(bào)信息及負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)信息，若否則直接丟棄。對(duì)于其他非用戶信息，如系統(tǒng)測試、特定路由等數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)該連接的相關(guān)信息檢索其狀態(tài)表，若狀態(tài)表中記錄的節(jié)點(diǎn)號(hào)是本節(jié)點(diǎn)所有，則接受該數(shù)據(jù)報(bào)，否則丟棄。

4.2 哈希算法設(shè)計(jì)

由算法流程可以看出，本優(yōu)化策略最核心的內(nèi)容就是利用哈希函數(shù)得到相關(guān)的哈希值，并以其為依據(jù)設(shè)定不同節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，因此哈希算法的優(yōu)劣與否決定著整個(gè)優(yōu)化策略的性能和效率。本文從算法的簡單性、易維護(hù)性、可靠性和低耗性等多方面考慮，設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的哈希算法。

設(shè)安全域邊界設(shè)備集群為 F={F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n-1}，P(Fi)表示第i臺(tái)設(shè)備Fi的權(quán)值，記CSDBD系統(tǒng)的權(quán)值為取模參數(shù)，則有：

1）基于權(quán)值的源/目的地址哈希算法結(jié)果

其中，Si和Di分別是源、目的IP的第i個(gè)8位字節(jié)。該算法先將Si和Di執(zhí)行XOR運(yùn)算，并將作為取模參數(shù)，并以此求得哈希值。

2）根據(jù)第i個(gè)防火墻的處理能力對(duì)H(·)的值映射到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，表1給出了相關(guān)的映射表示例。其中，k∈(0，n-1)。表中的P(Fi)反映了第i臺(tái)設(shè)備在本周期內(nèi)的處理性能，該值可根據(jù)應(yīng)用場合的不同而靈活的設(shè)置修改周期。一般而言，只有當(dāng)集群內(nèi)設(shè)備配置更新、替換、增加或移除時(shí)才需要調(diào)整該值，調(diào)整與維護(hù)工作可由OLMS中的監(jiān)控器負(fù)責(zé)。

表1 安全域邊界節(jié)點(diǎn)設(shè)備權(quán)值區(qū)域映射表

5 算法性能評(píng)估

5.1 評(píng)估模型

出于對(duì)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性考慮，需要排除其他因素帶來的影響，因此評(píng)估模型并沒有完全套用如上文中圖1給出的結(jié)構(gòu)，而是將其簡化，去除了監(jiān)控子系統(tǒng)和容錯(cuò)子系統(tǒng)，僅保留負(fù)載均衡子系統(tǒng)，且不考慮數(shù)據(jù)包在處理過程中的容錯(cuò)性問題，其簡化后的理想狀態(tài)模型如圖2所示。在此系統(tǒng)中，負(fù)載均衡器接收數(shù)據(jù)包并將其轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的處理單元處理，判斷其處理性能的指標(biāo)依據(jù)就是該系統(tǒng)是否能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)流量按照預(yù)定義的比例進(jìn)行分配。

圖2 CSDBD系統(tǒng)性能評(píng)估模型

現(xiàn)假設(shè)在本系統(tǒng)中存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其實(shí)際處理性能分別為 μ1，μ2，…，μN(yùn)，用 Gi(Δt)表示第i臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備在Δt時(shí)間內(nèi)的負(fù)載量。在最理想狀態(tài)下，負(fù)載均衡系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在吞吐能力方面相當(dāng)于處理能力為μi的一個(gè)處理單元的系統(tǒng)，即完全沒有因?yàn)樨?fù)載均衡操作而產(chǎn)生額外的處理時(shí)延，由此推出理想的負(fù)載均衡系統(tǒng)需滿足的條件為。即在Δt時(shí)間段內(nèi)某節(jié)點(diǎn)的性能與在該時(shí)間段內(nèi)此節(jié)點(diǎn)接收的負(fù)載成正比。在實(shí)際運(yùn)行中，由于受到了流量本身性質(zhì)的約束，以及運(yùn)行環(huán)境中出現(xiàn)的隨機(jī)干擾因素，加上對(duì)不同硬件的CPU等資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)并不統(tǒng)一，都可能會(huì)對(duì)該算法的運(yùn)行質(zhì)量帶來負(fù)面影響。

5.2 性能分析

根據(jù)上文中提出的設(shè)計(jì)方案構(gòu)建安全域邊界設(shè)備集群，由于條件限制，本實(shí)驗(yàn)僅分別采用2臺(tái)和4臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成CSDBD系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了不同規(guī)模的數(shù)據(jù)流量處理測試，統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)的平均延遲和吞吐量這兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。表2和表3分別給出了單臺(tái)設(shè)備和四臺(tái)設(shè)備在不同幀長和設(shè)備實(shí)時(shí)負(fù)載率的情況下監(jiān)測到的系統(tǒng)平均時(shí)延。而圖3則給出了單臺(tái)設(shè)備、兩臺(tái)設(shè)備和四臺(tái)設(shè)備的情況下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量變化曲線。

表2 單臺(tái)設(shè)備時(shí)延監(jiān)測結(jié)果

表2 四臺(tái)設(shè)備時(shí)延監(jiān)測結(jié)果

圖3 吞吐量對(duì)比分析圖

從平均時(shí)延方面分析，測試結(jié)果表明單臺(tái)設(shè)備下的平均時(shí)延與多臺(tái)設(shè)備下的平均時(shí)延并不存在本質(zhì)差異，究其原因，在于多臺(tái)設(shè)備形成集群系統(tǒng)后，彼此間的數(shù)據(jù)采集、調(diào)控與流量分配耗用了較多的處理時(shí)延，且隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)備數(shù)量的增加，這一時(shí)延也會(huì)相應(yīng)提升，這從另一方面表明，若想要進(jìn)一步提高集群安全域邊界設(shè)備系統(tǒng)的整體性能，則盡量減少系統(tǒng)內(nèi)無用或低效率節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是可行的。盡管效率方面并無突出表現(xiàn)，但集群設(shè)備的采用，使得網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的可靠性大大提高了；從吞吐量測試數(shù)據(jù)看，集群設(shè)備與單臺(tái)設(shè)備比較，單向數(shù)據(jù)流的吞吐量性能大約提高了65%左右，因此可以看出，集群安全與邊界設(shè)備的啟用，對(duì)解決大規(guī)模數(shù)據(jù)過濾，保護(hù)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全而言是非常有效的。

6 結(jié)語

集群安全域邊界設(shè)備系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)負(fù)載均衡算法能夠根據(jù)當(dāng)前集群內(nèi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的性能和運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量環(huán)境，靈活的將各節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源加以統(tǒng)一利用，并合理地將待處理的用戶數(shù)據(jù)報(bào)分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備上去，盡可能地保障了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通暢傳輸，壓縮了數(shù)據(jù)過濾而導(dǎo)致的隊(duì)列時(shí)延，使得安全域邊界設(shè)備能夠從容應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信高峰，有效保障內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全。但必須指出的是，任何一種負(fù)載均衡策略都不是萬能的，必須謹(jǐn)慎分析服務(wù)對(duì)象的應(yīng)用場合，科學(xué)合理地選用各具特色的優(yōu)化算法，才能充分發(fā)揮集群系統(tǒng)的優(yōu)勢，提升用戶的體驗(yàn)度。

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Research and Optim ization of the Load Balancing Strategy for the Cluster Security Domain Boundary Equipment

CAO Bo YU Zheng YANG Shan
（Information Communication Company State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan 430077）

TP393

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.028

2017年3月12日，

2017年4月21日

曹波，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：信息通信系統(tǒng)管理與信息安全。余錚，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：信息通信系統(tǒng)管理與信息安全。楊杉，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：信息系統(tǒng)維運(yùn)與安全管理。