基于負(fù)載均衡技術(shù)的研究及展望

劉立斌

基于負(fù)載均衡技術(shù)的研究及展望

劉立斌

隨著人們互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的顯著提升，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求也越來(lái)越高，但是由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的處理能力有限，對(duì)服務(wù)器的過(guò)多的請(qǐng)求會(huì)超出其承受的負(fù)載上限，最終會(huì)導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量差，負(fù)載均衡技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上緩解了網(wǎng)絡(luò)性能的壓力，本文主要介紹了負(fù)載均衡及其一些技術(shù)并對(duì)其未來(lái)進(jìn)行了一定的展望。

負(fù)載均衡；負(fù)載均衡算法；OpenFlow；SDN

一、負(fù)載均衡技術(shù)出現(xiàn)背景

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展正在不斷影響著人們的方方面面，尤其隨著直播、視頻以及大型游戲的火熱開(kāi)展，網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的負(fù)載量一直在高速地增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)對(duì)能力也在不斷地變強(qiáng)。雖然網(wǎng)絡(luò)帶寬也一直在不斷地飛快增長(zhǎng)，但并不能應(yīng)對(duì)人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求，導(dǎo)致了過(guò)長(zhǎng)的響應(yīng)、排隊(duì)等待等許多問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)中的流量不能均衡地分配是導(dǎo)致此現(xiàn)象的一個(gè)主要緣由，這使得有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，而有的節(jié)點(diǎn)卻處于沒(méi)有任務(wù)需要處理。而我們每天都在手機(jī)甚至電腦中使用的一些需要上網(wǎng)的一些程序隨時(shí)都可能向數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中注入流量，如何均衡數(shù)據(jù)中心的非常大的負(fù)載，充分利用網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載是一個(gè)急需解決的普遍性現(xiàn)象。通過(guò)合理分配流量的負(fù)載均衡技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決數(shù)據(jù)中心的負(fù)載平衡，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用效率。

二、負(fù)載均衡描述及分類

負(fù)載均衡是將現(xiàn)有的工作負(fù)載均衡的分配到數(shù)個(gè)計(jì)算單元的一種技術(shù)，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)鏈路、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及計(jì)算機(jī)集群等都可以作為計(jì)算單元。負(fù)載均衡的目標(biāo)是優(yōu)化資源的使用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題，極大程度上地提高其吞吐量，降低其響應(yīng)時(shí)間以及盡量避免過(guò)載情況的出現(xiàn)。負(fù)載均衡技術(shù)可以明顯地提高網(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)的性能。負(fù)載均衡技術(shù)處理接收到的要求是將它們分配到許多不同的節(jié)點(diǎn)去，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不能工作的狀況或者出現(xiàn)沒(méi)有響應(yīng)狀況時(shí)，將不能處理的流量派發(fā)到別的工作良好的節(jié)點(diǎn)來(lái)處理，有效的避免了網(wǎng)絡(luò)一些重要組成部分可能出現(xiàn)某個(gè)單個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有用的可能性。

負(fù)載均衡主要分為硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)。其中，硬件負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡主要是使用負(fù)載均衡器，但是硬件負(fù)載需要特別的芯片來(lái)達(dá)到其比較高的性能，這就造成了它高昂的價(jià)格從而導(dǎo)致了它的局限性。而軟件實(shí)現(xiàn)是使用與其相關(guān)的軟件，同時(shí)調(diào)用和其有關(guān)聯(lián)的協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的效果。這種方法的配置十分的簡(jiǎn)單，部署更加方便，價(jià)格相對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)是非常低廉的，目前更受歡迎的是H a p ro x y、LVS、N gin x等。普遍來(lái)說(shuō)學(xué)術(shù)界的負(fù)載均衡研究更側(cè)重于軟件實(shí)現(xiàn)方面，通過(guò)不斷改進(jìn)負(fù)載均衡調(diào)度算法，從而提高系統(tǒng)的整體利用率。然而，由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的制約，這些解決方案無(wú)法同時(shí)滿足靈活高效的要求，并沒(méi)有非常強(qiáng)的通用性，故怎么提高靈活性和通用性已成為目前的研究方向。

根據(jù)反饋區(qū)別，負(fù)載均衡技術(shù)可以分為動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)和靜態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)兩個(gè)類別。靜態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)提前根據(jù)系統(tǒng)的綜合能力、性能或曾經(jīng)的實(shí)踐情況等靜態(tài)參數(shù)來(lái)制定讓系統(tǒng)得以均衡的方案。靜態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)一旦運(yùn)用后，系統(tǒng)不會(huì)關(guān)心以后的工作狀態(tài)是好是壞，只會(huì)一如既往地遵循剛開(kāi)始使用的方案來(lái)進(jìn)行均衡的負(fù)載。靜態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)這種方法可以說(shuō)是比較容易，系統(tǒng)花費(fèi)比較小，但是對(duì)方案的設(shè)計(jì)要求非常高，需要考慮到以后所有可能出現(xiàn)的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)主要是基于當(dāng)前的狀態(tài)情況反饋來(lái)調(diào)整負(fù)載的分配，即便動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方法更靈活，性能比靜態(tài)負(fù)載均衡方式更好，但是動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡這種方法由于過(guò)度的復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)花費(fèi)非常較大，這使動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡的性能優(yōu)勢(shì)被它非常大的復(fù)雜性和花費(fèi)可能所嚴(yán)重影響；由于處理對(duì)象的不同，負(fù)載均衡還可以分為兩大類：服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載均衡技術(shù)。服務(wù)器負(fù)載均衡最重要的是對(duì)服務(wù)器集群的設(shè)置，并使用域名系統(tǒng)服務(wù)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡的負(fù)載。有許多形式的針對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載均衡，如在數(shù)據(jù)鏈路層中，鏈路聚合技術(shù)可以用于在不同物理路徑上分配網(wǎng)絡(luò)流量，以達(dá)到負(fù)載均衡；在網(wǎng)絡(luò)層，可以根據(jù)報(bào)文源I P地址以及目的I P地址等主要內(nèi)容來(lái)選擇不同的路徑上的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的目的。

三、常見(jiàn)負(fù)載均衡算法及其分類

負(fù)載平衡的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)找到目前工作量最低的節(jié)點(diǎn)，然后會(huì)將新的任務(wù)請(qǐng)求發(fā)到該節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到任務(wù)數(shù)與其處理之間的均衡，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。一般常見(jiàn)的負(fù)載均衡算法有:輪詢法、加權(quán)輪詢法、最小連接調(diào)度算法、加權(quán)最小連接算法、散列法等。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單地介紹一下這些算法。

（一）輪詢法

輪詢法原理非常明了，輪詢法內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有同樣的處理能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)自的對(duì)外進(jìn)行服務(wù)。輪詢法具有一個(gè)循環(huán)鏈表，每一個(gè)有能力能力提供業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)都被包含在里面；當(dāng)有一個(gè)新的業(yè)務(wù)到來(lái)時(shí)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)被依次分配業(yè)務(wù)，一直周而復(fù)始，而且在該方法中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到業(yè)務(wù)是等概的。輪詢法最大的不足之處是它想當(dāng)然地認(rèn)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)性能都是一樣的，沒(méi)有思考其性能不同時(shí)的情況，但是當(dāng)存在節(jié)點(diǎn)間性能相差比較懸殊的時(shí)候，如果還不考慮性能差異而仍然依次率給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配相同的業(yè)務(wù)，極大程度上會(huì)對(duì)較差性能節(jié)點(diǎn)造成較大的損傷。因此該方法非常不適合節(jié)點(diǎn)之間性能相差較大的系統(tǒng)中。由于輪詢法思路比較簡(jiǎn)潔明了，它經(jīng)常和別的一些方法混合使用。

（二）加權(quán)輪詢法

加權(quán)輪詢法被提出是為了應(yīng)對(duì)上面介紹的輪詢法的不足。加權(quán)輪詢法不僅繼承了輪詢法的優(yōu)點(diǎn)，還解決了它的不足之處，提出了權(quán)值這一概念定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值大小表示該節(jié)點(diǎn)的性能的優(yōu)劣：權(quán)值越大代表節(jié)點(diǎn)的性能越好，可以接受的業(yè)務(wù)量也能越多;權(quán)值越小，節(jié)點(diǎn)的性能就越差，能接受的業(yè)務(wù)量對(duì)應(yīng)也就越少;當(dāng)權(quán)值等于0時(shí)表示該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有能力對(duì)外提供業(yè)務(wù)。加權(quán)輪詢法的基本想法為：負(fù)載均衡器根據(jù)權(quán)值的大小輪流為各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配任務(wù)，權(quán)值大的可以分配的多一點(diǎn)而權(quán)值小的相應(yīng)也就少分一點(diǎn)，也就是說(shuō)根據(jù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)權(quán)值的大小決定每個(gè)節(jié)點(diǎn)所分到的業(yè)務(wù)量，從而增加了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

（三）最小連接調(diào)度算法

該算法是一種比較靈活的算法，用正在活躍的能夠連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)目來(lái)衡量系統(tǒng)的承受能力，把一個(gè)剛發(fā)送過(guò)來(lái)的的連接要求分發(fā)到現(xiàn)在這個(gè)時(shí)刻在節(jié)點(diǎn)之間連接數(shù)目為最小的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。最小連接調(diào)度算法引進(jìn)了一種新的概念--調(diào)度器：能夠統(tǒng)計(jì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前這個(gè)時(shí)刻已經(jīng)連接了的總數(shù)量，當(dāng)有一個(gè)要求被調(diào)度到某一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)連接總數(shù)的位數(shù)就會(huì)增加1，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接斷開(kāi)或者很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有響應(yīng)時(shí)，調(diào)度器記錄的這個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)目就會(huì)減少1。

（四）加權(quán)最小連接算法

加權(quán)最小連接算法和加權(quán)輪詢法一樣引入了權(quán)值這一概念，每個(gè)節(jié)點(diǎn)權(quán)值大小代表著加權(quán)最小連接算法的處理能力的強(qiáng)弱。加權(quán)最小連接算法是把其節(jié)點(diǎn)建立的連接數(shù)盡可能的與該節(jié)點(diǎn)的權(quán)值大小相對(duì)應(yīng)，權(quán)值大的節(jié)點(diǎn)內(nèi)就可以分擔(dān)更多的負(fù)載，而權(quán)值小點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)就承擔(dān)較小的負(fù)載。

（五）散列法

散列法主要是通過(guò)散列函數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的利用率，其主要原理為：當(dāng)系統(tǒng)受到報(bào)文任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，散列函數(shù)會(huì)通過(guò)對(duì)該任務(wù)中報(bào)文的某個(gè)字段進(jìn)行處理運(yùn)算，最后由處理得到的結(jié)果確定應(yīng)由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)處理該報(bào)文，另外源I P地址和目的I P地址是散列函數(shù)最常用的處理字段。散列法能確保同一條網(wǎng)絡(luò)流的報(bào)文能夠被映射到同一節(jié)點(diǎn)來(lái)處理，還對(duì)UD P等無(wú)連接任務(wù)具有非常好的效果。散列法能夠很優(yōu)秀地保證業(yè)務(wù)分配的合理性以及統(tǒng)一性，缺點(diǎn)是對(duì)散列函數(shù)的選取非常嚴(yán)格，被使用的散列函數(shù)需要其地址盡可能在其空間上嚴(yán)格均勻地分布。

四、關(guān)于Openflow負(fù)載均衡應(yīng)用

由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的局限性，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的負(fù)載均衡通常靈活性較差,不能很好地使用網(wǎng)絡(luò)中的資源與計(jì)算的資源，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（So f t w are De f ined N et w ork,SD N）概念的提出完全改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)的不足，為這問(wèn)題的解決提供了思路。SD N是一種將控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層分離的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，交換機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，降低了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的負(fù)載，控制層的功能全部由運(yùn)行于服務(wù)器上的控制器實(shí)現(xiàn)?？刂破餍枰掳l(fā)流表到交換機(jī)才能支持轉(zhuǎn)發(fā)層設(shè)備的有效運(yùn)行，而控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層之間的通信需要遵守一定的規(guī)則，目前較普遍的是采用O p en Fl o w協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交互。

對(duì)于負(fù)載均衡服務(wù)而言，SD N和O p en Fl o w這種控制轉(zhuǎn)發(fā)分離的架構(gòu)通過(guò)控制器作為核心，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的流量、實(shí)時(shí)調(diào)度流量，非常適合為網(wǎng)絡(luò)提供負(fù)載均衡服務(wù)，并且近年來(lái)O p en Fl o w技術(shù)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的革新和發(fā)展的推動(dòng)中發(fā)揮了非常大的影響。

O p en Fl o w網(wǎng)絡(luò)的主要組成有O p en Fl o w交換機(jī)、控制器和O p en Fl o w協(xié)議等。O p en Fl o w交換機(jī)是整個(gè)O p en Fl o w網(wǎng)絡(luò)的核心部件，主要管理數(shù)據(jù)層的轉(zhuǎn)發(fā)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層的功能；控制器則負(fù)責(zé)路徑選擇、計(jì)算等功能，實(shí)現(xiàn)控制層的功能；O p en Fl o w協(xié)議相當(dāng)于是O p en Fl o w交換機(jī)和控制器間交流的一種介質(zhì)。三者之間的關(guān)系是：通過(guò)安全通道O p en Fl o w交換機(jī)與外部控制器進(jìn)行通信，安全通道中傳輸?shù)氖秦?fù)責(zé)傳輸控制以及管理信息的O p en Fl o w協(xié)議。

圖1 OpenFlow交換機(jī)

O p en Fl o w交換機(jī)主要由三部分組成：一個(gè)或者多個(gè)流表、執(zhí)行分組查找和轉(zhuǎn)發(fā)的組表和連接O p en Fl o w交換機(jī)到控制器接口的安全信道；控制器在O p en Fl o w網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的主要任務(wù)是對(duì)其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流量的處置和掌握，一般來(lái)說(shuō)控制器完成的工作為:（1）網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)現(xiàn)；（2）策略制定和路徑選擇；（3）流表項(xiàng)的下發(fā)；O p en Fl o w協(xié)議主要用來(lái)完成O p en Fl o w交換機(jī)與控制器之間的通信。

圖2 OpenDayLight控制器層次示意圖

五、基于OpenFlow的負(fù)載均衡算法的調(diào)研

基于O p en Fl o w的負(fù)載均衡技術(shù)同時(shí)具有硬件負(fù)載和軟件負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，即基于O p en Fl o w的負(fù)載均衡不僅所需要的成本低而且所需要的配置也非常簡(jiǎn)單。基于O p en Fl o w的負(fù)載均衡都是在O p en Fl o w控制器上完成的，如N O X/P O X、O p enDayLight等控制器，根據(jù)對(duì)交換機(jī)相同時(shí)間間隔的流量統(tǒng)計(jì)得到數(shù)據(jù)從而得出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況，然后由此改變系統(tǒng)內(nèi)部的負(fù)載狀況，更好地完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均衡。

本文調(diào)研了現(xiàn)有的幾種簡(jiǎn)單負(fù)載均衡算法：P l ug-n-Serve負(fù)載均衡算法、持多服務(wù)的O p en Fl o w負(fù)載均衡算法、基于通配符規(guī)則匹配的負(fù)載均衡算法、動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法DL B。

P l ug-n-Serve負(fù)載均衡算法：該負(fù)載均衡算法不僅想到了網(wǎng)絡(luò)處于擁擠時(shí)的可能性，還考慮到了服務(wù)器處于較大負(fù)載時(shí)的情況，該模型根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀況和應(yīng)答所需要的綜合響應(yīng)時(shí)間，有效地給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配請(qǐng)求。因?yàn)镻 l ug-n-Serve負(fù)載均衡模型是為了校園網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載達(dá)到均衡而設(shè)計(jì)出來(lái)的，所以P l ug-n-Serve負(fù)載均衡模型沒(méi)有想到在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的情形，而數(shù)據(jù)中心應(yīng)該具備對(duì)社會(huì)內(nèi)的各種場(chǎng)所提供業(yè)務(wù)，并不能局限于校園網(wǎng)絡(luò)中的工作量，這是該算法的主要不足之處。

支持多服務(wù)的O p en Fl o w負(fù)載均衡算法:該算法基于O p en Fl o w負(fù)載均衡使用不一樣的控制器去應(yīng)對(duì)不一樣的應(yīng)答要求，而且不一樣的控制器還可以使用不一樣的負(fù)載均衡算法。這種主要應(yīng)對(duì)不同的服務(wù)進(jìn)行了不同的操作，但也沒(méi)有針對(duì)數(shù)據(jù)中心的情形，而且數(shù)據(jù)中心內(nèi)帶寬使用效率在每一個(gè)鏈路上都有可能有所差異;在邊緣層或者匯聚層上，如果在一個(gè)非常短的時(shí)間內(nèi)遇到了大量的流量應(yīng)該會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

基于通配符規(guī)則匹配的負(fù)載均衡算法:以發(fā)起請(qǐng)求的客戶機(jī)I P地址前綴作為通配符，在一顆二叉樹(shù)上分配通配符到對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，形成一條規(guī)則，若干規(guī)則形成一個(gè)規(guī)則集以流表形式裝載到O p en Fl o w交換機(jī)上，由規(guī)則集控制交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)，降低了控制器介入的次數(shù)，降低了請(qǐng)求的平均延時(shí)。該方案雖以數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)場(chǎng)景，但目前僅在兩臺(tái)交換機(jī)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了驗(yàn)證，還無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)際數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法DL B：該動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法以流為基本單位，并遵循深度優(yōu)先的策略，從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)的所有流都只會(huì)向更高層傳輸，除非該流已經(jīng)到達(dá)了它應(yīng)該到達(dá)的最高層節(jié)點(diǎn)，之后該流才會(huì)向底層前進(jìn)直到到本次所需要到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)。

六、負(fù)載均衡未來(lái)展望

隨著科技的不斷發(fā)展和生活的逐漸進(jìn)步，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的需求只會(huì)越來(lái)越大，現(xiàn)有負(fù)載均衡算法仍然存在著許多不足之處，會(huì)慢慢的滿足不了人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求，我們需要從不同的角度以及方面來(lái)提出一個(gè)個(gè)更加適應(yīng)人們需求的更加動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡算法，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能夠更好的均衡分在網(wǎng)絡(luò)中。

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F062.4

A

1008-4428（2017）10-140-03

劉立斌，男，遼寧省遼中縣人，吉林大學(xué)電子與通信工程領(lǐng)域工程碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中移鐵通有限公司江蘇分公司總經(jīng)理。