校園網(wǎng)服務(wù)器集群負載均衡仿真分析

李晉超

（山西機電職業(yè)技術(shù)學院 信息工程系，山西 長治 046011）

1 引言

近年來大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)發(fā)展迅速，有力的促進了高校由“數(shù)字校園”向“智慧校園”的全面升級，“智慧校園”對于高校的行政管理、教學科研、后勤保障等各方面提供了決策依據(jù)，并打破了種種屏障，使校園網(wǎng)各項功能相互融合，大大提升了高校的管理水平。

“智慧校園”校園網(wǎng)需要硬件設(shè)施作為基礎(chǔ)，例如高帶寬的出入接口，覆蓋校園的無線設(shè)備，高配置的服務(wù)器等，作為校園網(wǎng)核心的服務(wù)器承載了大流量的數(shù)據(jù)傳輸，包括了HTTP、FTP、Video等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。為了更好發(fā)揮服務(wù)器的作用，避免延遲、卡頓等現(xiàn)象發(fā)生，負載均衡（Load Balance）技術(shù)在服務(wù)器集群上的配置尤為關(guān)鍵，其含義是通過選擇合適的策略把任務(wù)分攤在每個服務(wù)器上，最大程度提高服務(wù)器集群整體運行效果，是目前企業(yè)、政府、學校等應(yīng)用較為普遍的解決服務(wù)器負載過高的一種有效途徑。

利用OPNET軟件模擬實現(xiàn)校園網(wǎng)服務(wù)器集群負載均衡技術(shù)并進行研究，這對我院建設(shè)“智慧校園”會有很大的幫助。OPNET是網(wǎng)絡(luò)原理性研究和網(wǎng)絡(luò)實踐兩方面完美結(jié)合的產(chǎn)物[1]，不僅可以用來研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并加以改進測試，還可以仿真驗證網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的實施效果。作為當今先進的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，近年來被國內(nèi)很多企業(yè)、大學廣泛使用。

2 負載均衡主要算法簡介

（1）輪循調(diào)度算法 （Round Robin Scheduling，round-robin），把請求執(zhí)行的任務(wù)在服務(wù)器集群內(nèi)部的服務(wù)器上依次執(zhí)行，每次執(zhí)行的服務(wù)器值為i=（i+1）mod n。

（2）隨機算法（Random），每臺服務(wù)器都會得到一個由偽隨機算法得出的值，值為最大或最小值的服務(wù)器會優(yōu)先執(zhí)行請求任務(wù)，即每次調(diào)度執(zhí)行i=rand(seed)[2]。

（3）最小負載優(yōu)先算法（1east load first，LLF），就是把請求執(zhí)行的任務(wù)分配給當前處理負荷最輕的服務(wù)器，此算法綜合比較各服務(wù)器硬件條件及當前連接數(shù)據(jù)等情況。

（4）少連接數(shù)算法（Least Connection First，LCF）是動態(tài)算法，其觀點認為連接少的服務(wù)器的負載較輕，能夠快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求，具備更強的服務(wù)能力。

3 建模仿真

3.1 建模

根據(jù)學院實際運行情況，在OPNET軟件中構(gòu)建相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)拓撲，見圖1，其中包括了學生公寓、教學樓、行政樓、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心、實訓(xùn)中心幾個主要部分。分別在Appliacation、Profile、客戶端、服務(wù)器端相應(yīng)配置了HTTP應(yīng)用服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心設(shè)置了三臺硬件配置與操作系統(tǒng)都相同的服務(wù)器，通過路由器Load_Balancer與Router1相連，見圖2；由于學生公寓、教學樓、行政樓、實訓(xùn)中心的用戶較多，為了便于測試分別設(shè)置了7臺客戶機并通過交換機與外部路由器連接。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖2 服務(wù)器集群連接

3.2 模擬仿真

通過在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心內(nèi)的路由器Load_Balancer分別設(shè)置無負載均衡、輪循調(diào)度算法、隨機算法、最小負載優(yōu)先算法、少連接數(shù)算法生成五個場景，選擇觀察全局目標中的HTTP選項，節(jié)點中服務(wù)器CPU以及負載均衡選項，分別運行仿真時間1小時。

4 對比分析

首先對五個場景運行結(jié)束的全局目標HTTP結(jié)果進行對比，見圖3，各場景的HTTP對象的響應(yīng)時間差距不明顯，設(shè)置無負載均衡的場景前期響應(yīng)時間值較高，后期五個場景下的HTTP響應(yīng)時間差別不大。再觀察傳輸速率結(jié)果，見圖4，結(jié)果前期顯示采用輪循調(diào)度算法的結(jié)果好于其他算法，后期最小負載優(yōu)先算法較優(yōu)。

圖3 HTTP響應(yīng)時間對比

圖4 傳輸速率對比

圖5 CPU利用率對比

圖6 傳輸速率對比

其次觀察網(wǎng)絡(luò)管理中心內(nèi)部的第一臺服務(wù)器的CPU利用率在不同算法下的運行結(jié)果，如圖5顯示，在沒有使用負載均衡的情況下，服務(wù)器的CPU利用率明顯高于采用了負載均衡算法的其他場景的值。由于本次模擬仿真只使用了HTTP一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，沒有添加其它網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，沒有使用負載均衡技術(shù)而導(dǎo)致的CPU利用率較高從而不利于其他網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的運行，影響了服務(wù)器集群的性能發(fā)揮。CPU利用率最小的是隨機算法，依次是少連接數(shù)算法、輪循調(diào)度算法、最小負載優(yōu)先算法。

圖6顯示結(jié)果為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心內(nèi)部的路由器在通過設(shè)置不同的負載均衡策略下數(shù)據(jù)傳輸速率對比。當選擇負載均衡策略為最小負載優(yōu)先算法時，前期數(shù)據(jù)包傳輸值較高，但波動范圍較大；而策略為少連接數(shù)算法時，前期數(shù)據(jù)包傳輸值較高，后期運行平穩(wěn)；輪循調(diào)度算法被選用時，狀態(tài)保持穩(wěn)定，后期數(shù)據(jù)包傳輸值較高；隨機算法的運行效果是最差的。

綜合對比仿真結(jié)果，顯示當路由器使用負載均衡算法為少連接數(shù)算法時，服務(wù)器集群提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效果較為理想，其他場景下差距較大，顯示在當前工作環(huán)境下這種算法能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，達到良好服務(wù)的效果。

通過設(shè)置校園網(wǎng)服務(wù)器集群負載均衡技術(shù)，能有效地解決校園網(wǎng)用戶在訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時存在響應(yīng)時間較高的問題，充分利用了已有設(shè)備，避免了購置性能卓越的服務(wù)器高昂費用，避免了服務(wù)器單點故障造成數(shù)據(jù)流量的損失[3]。即使將來有新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)增加到“智慧校園”當中，集群內(nèi)服務(wù)器數(shù)量適當增加即可，大大減輕了管理人員的工作量并提高了工作效率。

5 總結(jié)

由于本實驗只設(shè)置了HTTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，沒有添加更多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以增加復(fù)雜度，會在以后的研究中在已知的算法上進行改進，也會在不同的服務(wù)器硬件配置及操作系統(tǒng)上進行試驗，更好地為學院建設(shè)“智慧校園”服務(wù)，提高我院信息化工作服務(wù)水平。同時把通過OPNET對校園網(wǎng)服務(wù)器集群進行負載均衡模擬仿真的過程作為工作案例引入教學當中，這對我院積極推進的項目化課程改革也有著良好的促進作用。