基于虛擬化的負載均衡機制在調度管理業(yè)務中的應用

吳 鑫

(國家電網華東分部調控中心，上海 200122)

在調度管理業(yè)務中，長久以來的應用部署方式為單臺物理服務器部署一個或幾個應用，用戶通過網絡地址直接訪問該服務器。當某臺服務器出現(xiàn)故障或功能升級時，需要對應用系統(tǒng)做停機操作，會直接影響生產業(yè)務的開展。另外，隨著各類應用的增加，業(yè)務數據成海量增長，同時用戶也有更頻繁的訪問需求，單臺服務器由于性能不足已經不能滿足日常生產需求[1-3]。

隨著網絡信息新技術的飛速發(fā)展，考慮將虛擬化技術和負載均衡應用到調度管理業(yè)務中。虛擬化是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源，予以抽象、轉換后呈現(xiàn)出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以更好地應用這些資源。負載均衡就是由多臺服務器以對稱的方式組成一個服務器集合，每臺服務器都具有等價的地位，都可以單獨對外提供服務而無須其他服務器的輔助。

將兩種技術相結合，對傳統(tǒng)調度管理應用架構進行了調整，采用了基于虛擬化的負載均衡機制。本文對新架構的原理進行研究和探討，對比傳統(tǒng)架構進行歸納總結，提煉出基于虛擬化的負載均衡機制在調度管理應用中的優(yōu)點。

1 虛擬化技術及負載均衡

1.1 虛擬化技術

1.1.1原理

虛擬化技術將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機。在一臺計算機上同時運行多個邏輯計算機，每個邏輯計算機可運行不同的操作系統(tǒng)，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。

虛擬化用軟件的方法重新定義劃分資源，實現(xiàn)資源的動態(tài)分配、靈活調度、跨域共享，提高資源利用率。在實際的生產環(huán)境中，虛擬化技術主要用來解決高性能的物理硬件產能過剩和老舊硬件產能過低的重組重用，透明化底層物理硬件，從而最大化利用物理硬件[4-5]。

目前，主流的五種虛擬化技術分別是：CPU虛擬化、網絡虛擬化、服務器虛擬化(虛擬機)、存儲虛擬化和應用虛擬化。采用了虛擬機方式來搭建云平臺業(yè)務環(huán)境。

1.1.2運行方式

虛擬機是對真實計算環(huán)境的抽象和模擬，將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器。虛擬機不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實現(xiàn)服務器整合。

虛擬機監(jiān)視器(VMM)是虛擬機技術的核心，它是一層位于操作系統(tǒng)和計算機硬件之間的代碼，用來將硬件平臺分割成多個虛擬機，隔離并且管理上層運行的多個虛擬機，仲裁它們對底層硬件的訪問。VMM為每個虛擬機分配一套數據結構來管理它們狀態(tài)，包括虛擬處理器的全套寄存器，物理內存的使用情況，虛擬設備的狀態(tài)等。

1.1.3虛擬化技術的應用

虛擬化技術具有可以減少服務器的過度提供、提高設備利用率、減少IT的總體投資、增強提供IT環(huán)境的靈活性、可以共享資源等優(yōu)點，有著極為廣泛的應用。例如，將虛擬化技術應用到企業(yè)服務器虛擬化管理以及企業(yè)信息化建設應用中。

通過服務器虛擬化可以簡化服務器部署、管理和維護工作，降低了管理費用；提高兼容能力，解決了一些應用之間的版本、數據庫、操作系統(tǒng)等之間可能產生的沖突問題[6]。服務器虛擬化還可以提高數據備份的可靠性，支持快速轉移和復制虛擬服務器，提供一種簡單便捷的災難恢復解決方案，虛擬可以實現(xiàn)較簡單的共享機制無法實現(xiàn)的隔離和劃分，可實現(xiàn)對數據和服務進行可控和安全的訪問。

[2]Lane, Maggie. Jane Austen's England. London: Robert Hale, Ltd.,1986，pp.19-20.

1.2 負載均衡

1.2.1原理

負載均衡設備的實現(xiàn)原理是把多臺服務器的地址映射成一個對外的服務IP(通常稱之為VIP，可以直接將服務器IP映射成VIP地址，也可以將服務器IP:Port映射成VIP:Port，不同的映射方式會采取相應的健康檢查,在端口映射時，服務器端口與VIP端口可以不相同)。這個過程對用戶端是不透明的，用戶不知道服務器是做了負載均衡的，因為用戶訪問的還是一個目的IP。

負載均衡設備將外部發(fā)送來的請求均勻分配到對稱結構中的某一臺服務器上，而接收到請求的服務器獨立地回應客戶的請求。均衡負載能夠平均分配客戶請求到服務器列陣，借此快速獲取重要數據，解決大量并發(fā)訪問服務問題。

1.2.2工作方式

負載均衡通常稱為四層負載均衡(L4模式)或者七層負載均衡(L7模式)，一般采用L4模式。四層與七層負載均衡的區(qū)別見圖1。客戶端將請求發(fā)送給服務器群前端的負載均衡設備，負載均衡設備上的虛服務接收客戶端請求，通過調度算法，選擇真實服務器，再通過網絡地址轉換，用真實服務器地址重寫請求報文的目標地址后，將請求發(fā)送給選定的真實服務器;真實服務器的響應報文通過負載均衡設備時，報文的源地址被還原為虛服務的VSIP，再返回給客戶，完成整個負載調度過程。

七層負載均衡，也稱為“內容交換”，也就是主要通過報文中的真正有意義的應用層內容，再加上負載均衡設備設置的服務器選擇方式，決定最終選擇的內部服務器。

圖1 四層與七層負載均衡的區(qū)別

1.2.3優(yōu)點及應用

負載均衡優(yōu)化了訪問請求在服務器組之間的分配，消除了服務器之間的負載不平衡，提高系統(tǒng)的反應速度與總體性能。負載均衡可以對服務器的運行狀況進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)運行異常的服務器，并將訪問請求轉移到其他可以正常工作的服務器上，從而提高服務器組的可靠性。采用了負均衡器器以后，可以根據業(yè)務量的發(fā)展情況靈活增加服務器，系統(tǒng)的擴展能力得到提高，同時簡化了管理。

隨著大數據及分布式存儲的廣泛應用，負載均衡在各行業(yè)有了大量應用。例如，網絡鏈路中，當負載均衡中的一臺或幾臺服務器不可用時，服務不會中斷。網絡負載均衡自動檢測到服務器不可用時，能夠迅速在剩余的服務器中重新指派客戶機通信。

2 基于虛擬化的負載均衡機制

2.1 配置虛擬環(huán)境

華東云平臺硬件包括計算節(jié)點服務器、陣列存儲設備、萬兆光纖交換機、FC光纖交換機和千兆管理交換機。在物理機上部署虛擬化軟件，組建資源池。

虛擬化平臺能夠有效地整合數據中心IT基礎設施資源、精簡數據中心服務器的數量、簡化IT操作，達到提高物理資源利用率和降低整體擁有成本的效果。通過高可用(HA)、動態(tài)資源調度(DRS)、動態(tài)資源擴展(DRX)、零存儲(vStor)等特性功能，持續(xù)為用戶提供一個穩(wěn)定高效的虛擬化運行環(huán)境。

虛擬化架構如圖2所示。

圖2 虛擬化環(huán)境架構

2.2 引入負載均衡機制

虛擬化環(huán)境搭建完成后，可以劃分出數臺獨立的虛擬機，像物理機那樣使用。使用其中2臺虛擬機，利用負載均衡控制器，實現(xiàn)調度管理業(yè)務應用服務器的雙機冗余配置。這樣既可避免因硬件故障帶來的數據文件安全問題，也可以解決因模塊升級或消缺造成的業(yè)務中斷影響，同時可以分流應用系統(tǒng)的運行壓力。系統(tǒng)具備可擴展性，日后可根據業(yè)務發(fā)展需要新增應用服務節(jié)點個數而不影響現(xiàn)有系統(tǒng)運行。

負載均衡器可以實時獲取WEB服務器的健康狀態(tài)，當系統(tǒng)服務器異常時，負載均衡設備的健康檢查會偵測出異常，從而將連接數據包轉發(fā)到別的服務器，以保證用戶訪問的不間斷性。創(chuàng)建健康檢查時可以設定檢查的間隔時間和嘗試次數，例如設定間隔時間為5 s，嘗試次數為3，那么負載均衡設備每隔5 s發(fā)起一次健康檢查，如果檢查失敗，則嘗試3次，如果3次都檢查失敗，則把該服務標記為DOWN，然后服務器仍然會每隔5秒對DOWN的服務器進行檢查，當某個時刻發(fā)現(xiàn)該服務器健康檢查又成功了，則把該服務器重新標記為UP。

經改造后的系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 應用服務結構改造前后對比圖

3 新架構優(yōu)點分析

(1)提高服務器的資源利用率和計算能力，需要服務器的數量減少，降低硬件采購成本。通過簡化服務器的部署、管理和維護工作，降低了管理費用。

(2)提高兼容能力，解決了一些應用之間的版本、數據庫、操作系統(tǒng)等可能產生的沖突問題。提高數據備份的可靠性，支持快速轉移和復制虛擬服務器。

(3)虛擬可以實現(xiàn)較簡單的共享機制無法實現(xiàn)的隔離和劃分，可實現(xiàn)對數據和服務進行可控和安全的訪問。

(4)利用負載均衡機制，實現(xiàn)應用服務器的主備雙機配置，既避免了因硬件故障帶來的數據、文件安全問題，又解決了因功能模塊升級或消缺造成的業(yè)務中斷影響。

(5)系統(tǒng)具有可擴展性，可以根據需要新增應用服務節(jié)點個數而不影響現(xiàn)有系統(tǒng)運行。

(6)實時獲取到WEB服務器的健康狀態(tài)，數據連接時避開問題服務器，將數據包轉發(fā)到別的服務器，以保證用戶訪問的不間斷性。

4 結語

目前，基于虛擬化的負載均衡機制在華東調度管理業(yè)務應用中提供了高效、便捷的服務。整個系統(tǒng)運行良好，所有業(yè)務流程運行流暢。對比改造前的系統(tǒng)架構，需要的服務器的數量減少，服務器的部署、管理和維護工作也更加簡化。應用間的版本、數據庫、操作系統(tǒng)等不兼容問題也得到了解決。數據備份更快速可靠。

應用服務器的雙機配置，既避免了因硬件故障帶來的數據、文件安全問題，又解決了因功能模塊升級或消缺造成的業(yè)務中斷影響。同時系統(tǒng)具有可擴展性，新增應用服務節(jié)點個數不影響現(xiàn)有系統(tǒng)運行。服務器的健康監(jiān)測，可以保證用戶訪問的不間斷性。后續(xù)會將基于虛擬化的負載均衡機制進行推廣，調度業(yè)務的安全穩(wěn)定運行提供更有力的技術支撐。