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負(fù)載均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

發(fā)布時(shí)間: 2012/9/12 14:54:23

負(fù)載均衡技術(shù)的引入

信息系統(tǒng)的各個(gè)核心部分隨著業(yè)務(wù)量的提高、訪問(wèn)量和數(shù)據(jù)流量的快速增長(zhǎng)，其處理能力和計(jì)算強(qiáng)度也相應(yīng)增大，使得單一設(shè)備根本無(wú)法承擔(dān)，必須采用多臺(tái)服務(wù)器協(xié)同工作，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理能力和計(jì)算強(qiáng)度，以滿(mǎn)足當(dāng)前業(yè)務(wù)量的需求。而如何在完成同樣功能的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)合理的業(yè)務(wù)量分配，使之不會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備過(guò)忙、而其他的設(shè)備卻沒(méi)有充分發(fā)揮處理能力的情況。要解決這一問(wèn)題，可以采用負(fù)載均衡的方法。

負(fù)載均衡有兩個(gè)方面的含義：首先，把大量的并發(fā)訪問(wèn)或數(shù)據(jù)流量分擔(dān)到多臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備上分別處理，減少用戶(hù)等待響應(yīng)的時(shí)間；其次，單個(gè)重負(fù)載的運(yùn)算分擔(dān)到多臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備上做并行處理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備處理結(jié)束后，將結(jié)果匯總，再返回給用戶(hù)，使得信息系統(tǒng)處理能力可以得到大幅度提高。

對(duì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡應(yīng)用，可以從網(wǎng)絡(luò)的不同層次入手，具體情況要看對(duì)網(wǎng)絡(luò)瓶頸所在之處的具體情況進(jìn)行分析。一般來(lái)說(shuō)，企業(yè)信息系統(tǒng)的負(fù)載均衡大體上都從傳輸鏈路聚合、采用更高層網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)和設(shè)置服務(wù)器集群策略三個(gè)角度實(shí)現(xiàn)。

鏈路聚合低成本的解決方案

為了支持與日俱增的高帶寬應(yīng)用，越來(lái)越多的PC機(jī)使用更加快速的方法連入網(wǎng)絡(luò)。而網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量分布是不平衡的，一般表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)核心的業(yè)務(wù)量高，而邊緣比較低，關(guān)鍵部門(mén)的業(yè)務(wù)量高，而普通部門(mén)低。伴隨計(jì)算機(jī)處理能力的大幅度提高，人們對(duì)工作組局域網(wǎng)的處理能力有了更高的要求。當(dāng)企業(yè)內(nèi)部對(duì)高帶寬應(yīng)用需求不斷增大時(shí)（例如Web訪問(wèn)、文檔傳輸及內(nèi)部網(wǎng)連接），局域網(wǎng)核心部位的數(shù)據(jù)接口將產(chǎn)生瓶頸問(wèn)題，因此延長(zhǎng)了客戶(hù)應(yīng)用請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間。并且局域網(wǎng)具有分散特性，網(wǎng)絡(luò)本身并沒(méi)有針對(duì)服務(wù)器的保護(hù)措施，一個(gè)無(wú)意的動(dòng)作，像不小心踢掉網(wǎng)線的插頭，就會(huì)讓服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)。

通常，解決瓶頸問(wèn)題采用的對(duì)策是提高服務(wù)器鏈路的容量，使其滿(mǎn)足目前的需求。例如可以由快速以太網(wǎng)升級(jí)到千兆以太網(wǎng)。對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級(jí)技術(shù)是一種長(zhǎng)遠(yuǎn)的、有前景的解決方案。然而對(duì)于許多企業(yè)，當(dāng)需求還沒(méi)有大到非得花費(fèi)大量的金錢(qián)和時(shí)間進(jìn)行升級(jí)時(shí)，使用升級(jí)的解決方案就顯得有些浪費(fèi)了。對(duì)于擁有許多網(wǎng)絡(luò)教室和多媒體教室的普通中學(xué)和職業(yè)中學(xué)，在某些課程的教學(xué)期間（比如上傳學(xué)生制作的網(wǎng)頁(yè)等等），將產(chǎn)生大量訪問(wèn)Web服務(wù)器或進(jìn)行大量的文檔傳輸；或在縣區(qū)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)上舉行優(yōu)秀老師示范課教學(xué)、定期的教學(xué)交流等教學(xué)活動(dòng)時(shí)，這種情況尤為突出。然而在需求還沒(méi)有大到非得花費(fèi)大量的金錢(qián)和時(shí)間進(jìn)行升級(jí)時(shí)，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)就顯得大材小用了。在這種情況下，鏈路聚合技術(shù)為消除傳輸鏈路上的瓶頸與不安全因素提供了成本低廉的解決方案。鏈路聚合技術(shù)將多個(gè)線路的傳輸容量融合成一個(gè)單一的邏輯連接。當(dāng)原有的線路滿(mǎn)足不了需求、而單一線路的升級(jí)又太昂貴或難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，就可采用多線路的解決方案。

鏈路聚合系統(tǒng)增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，但也提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，使人們可以在服務(wù)器等關(guān)鍵局域網(wǎng)段的線路上采用冗余路由。對(duì)于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)系統(tǒng)，可以考慮采用虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）。VRRP可以生成一個(gè)虛擬缺省的網(wǎng)關(guān)地址，當(dāng)主路由器無(wú)法接通時(shí)，備用路由器就會(huì)采用這個(gè)地址，使局域網(wǎng)通信得以繼續(xù)。總之，當(dāng)必需提高主要線路的帶寬而又無(wú)法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)的時(shí)候，便可以采用鏈路聚合技術(shù)。

高層交換適合大型網(wǎng)絡(luò)

大型的網(wǎng)絡(luò)一般都是由大量專(zhuān)用技術(shù)設(shè)備組成的，如包括防火墻、路由器、第2層/3層交換機(jī)、負(fù)載均衡設(shè)備、緩沖服務(wù)器和Web服務(wù)器等。如何將這些技術(shù)設(shè)備有機(jī)地組合在一起，是一個(gè)直接影響到網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵性問(wèn)題。大型網(wǎng)絡(luò)的核心交換機(jī)一般采用高端的機(jī)柜式交換機(jī)，現(xiàn)在這類(lèi)交換機(jī)一般都提供第四層交換功能，可以將一個(gè)外部IP地址映射為多個(gè)內(nèi)部IP地址，對(duì)每次TCP連接請(qǐng)求動(dòng)態(tài)使用其中一個(gè)內(nèi)部地址，達(dá)到負(fù)載均衡的目的。有的協(xié)議內(nèi)部支持與負(fù)載均衡相關(guān)的功能，例如HTTP協(xié)議中的重定向能力。

Web內(nèi)容交換技術(shù)，即URL交換或七層交換技術(shù)，提供了一種對(duì)訪問(wèn)流量的高層控制方式。Web內(nèi)容交換技術(shù)檢查所有的HTTP報(bào)頭，根據(jù)報(bào)頭內(nèi)的信息來(lái)執(zhí)行負(fù)載均衡的決策，并可以根據(jù)這些信息來(lái)確定如何為個(gè)人主頁(yè)和圖像數(shù)據(jù)等內(nèi)容提供服務(wù)。它不是根據(jù)TCP端口號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，所以不會(huì)造成訪問(wèn)流量的滯留。如果Web服務(wù)器已經(jīng)為諸如圖像服務(wù)、SSL對(duì)話(huà)和數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)服務(wù)之類(lèi)的特殊功能進(jìn)行了優(yōu)化，那么，采用這個(gè)層次的流量控制將可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能。目前，采用高層交換技術(shù)的產(chǎn)品與方案，有許多專(zhuān)用的設(shè)備，如3Com公司的3ComSuperStack3服務(wù)器負(fù)載均衡交換機(jī)和Cisco系統(tǒng)公司的CSS交換機(jī)產(chǎn)品等，國(guó)內(nèi)的服務(wù)器廠商如聯(lián)想和浪潮等也都有專(zhuān)用的負(fù)載均衡產(chǎn)品。

帶均衡策略的服務(wù)器群集滿(mǎn)足需求

隨著電子商務(wù)和電子政務(wù)的開(kāi)展，網(wǎng)上交易和訪問(wèn)量會(huì)明顯增加。企業(yè)的日常經(jīng)營(yíng)和各種辦公業(yè)務(wù)都往上遷移，所傳送不僅是一般的文本信息，還有很多視頻和語(yǔ)音。如遠(yuǎn)程教學(xué)方興未艾，不少院校都在全國(guó)各地設(shè)立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)點(diǎn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)和在線輔導(dǎo)，各個(gè)站點(diǎn)都必須能夠同網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，在這種情況下，勢(shì)必也會(huì)產(chǎn)生大量并發(fā)訪問(wèn)，因此要求網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器必須具備提供大量并發(fā)訪問(wèn)服務(wù)的能力。這樣，網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器的處理能力和I/O能力已經(jīng)成為提供服務(wù)的瓶頸。如果客戶(hù)的增多導(dǎo)致通信量超出了服務(wù)器能承受的范圍，那么其結(jié)果必然是宕機(jī)。顯然，單臺(tái)服務(wù)器有限的性能不可能解決這個(gè)問(wèn)題，一臺(tái)普通服務(wù)器的處理能力只能達(dá)到每秒幾萬(wàn)個(gè)到幾十萬(wàn)個(gè)請(qǐng)求，無(wú)法在一秒鐘內(nèi)處理上百萬(wàn)個(gè)甚至更多的請(qǐng)求。但若能將10臺(tái)這樣的服務(wù)器組成一個(gè)系統(tǒng)，并通過(guò)軟件技術(shù)將所有請(qǐng)求平均分配給所有服務(wù)器，那么這個(gè)系統(tǒng)就完全擁有每秒鐘處理幾百萬(wàn)個(gè)甚至更多請(qǐng)求的能力。這就是利用服務(wù)器群集實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的優(yōu)點(diǎn)。　早期的服務(wù)器群集通常以光纖鏡像卡進(jìn)行主從方式備份。令服務(wù)運(yùn)營(yíng)商頭疼的是關(guān)鍵性服務(wù)器或應(yīng)用較多、數(shù)據(jù)流量較大的服務(wù)器一般檔次不會(huì)太低，而服務(wù)運(yùn)營(yíng)商花了2臺(tái)服務(wù)器的錢(qián)卻常常只得到一臺(tái)服務(wù)器的性能。通過(guò)LSNAT（LoadSharingNetworkAddressTransfer）將多臺(tái)服務(wù)器網(wǎng)卡的不同IP地址翻譯成一個(gè)虛擬IP地址，使得每臺(tái)服務(wù)器均時(shí)刻處于工作狀態(tài)。原來(lái)需要用小型機(jī)來(lái)完成的工作改由多臺(tái)PC服務(wù)器完成，這種彈性解決方案對(duì)投資保護(hù)的作用是相當(dāng)明顯的，既避免了小型機(jī)剛性升級(jí)所帶來(lái)的巨大設(shè)備投資，又避免了人員培訓(xùn)的重復(fù)投資。同時(shí)，服務(wù)運(yùn)營(yíng)商可以依據(jù)業(yè)務(wù)的需要隨時(shí)調(diào)整服務(wù)器的數(shù)量。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡提高了諸如Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器和其他關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)器上的Internet服務(wù)器程序的可用性和可伸縮性。單一服務(wù)器可以提供有限級(jí)的可靠性和可伸縮性。但是，通過(guò)將2個(gè)或2個(gè)以上高級(jí)服務(wù)器的主機(jī)連成群集，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡就能夠提供關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)器所需的可靠性和性能。

為了建立一個(gè)高負(fù)載的Web站點(diǎn)，必須使用多服務(wù)器的分布式結(jié)構(gòu)。如使用代理服務(wù)器和Web服務(wù)器相結(jié)合，或者2臺(tái)Web服務(wù)器相互協(xié)作，這種方式也屬于多服務(wù)器的結(jié)構(gòu)。但在這些多服務(wù)器的結(jié)構(gòu)中，每臺(tái)服務(wù)器所起到的作用是不同的，屬于非對(duì)稱(chēng)的體系結(jié)構(gòu)。非對(duì)稱(chēng)的服務(wù)器結(jié)構(gòu)中每個(gè)服務(wù)器起到的作用是不同的，例如一臺(tái)服務(wù)器用于提供靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)，而另一臺(tái)用于提供動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)等等。這樣就使得網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮不同服務(wù)器之間的關(guān)系。一旦要改變服務(wù)器之間的關(guān)系，就會(huì)使得某些網(wǎng)頁(yè)出現(xiàn)連接錯(cuò)誤，不利于維護(hù)，可擴(kuò)展性也較差。

能進(jìn)行負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中每臺(tái)服務(wù)器都具備等價(jià)的地位，都可以單獨(dú)對(duì)外提供服務(wù)，而無(wú)須其他服務(wù)器的輔助。然后，可以通過(guò)某種技術(shù)，將外部發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求均勻分配到對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中的每臺(tái)服務(wù)器上，接收到連接請(qǐng)求的服務(wù)器都獨(dú)立回應(yīng)客戶(hù)的請(qǐng)求。在這種結(jié)構(gòu)中，由于建立內(nèi)容完全一致的Web服務(wù)器并不困難，因此負(fù)載均衡技術(shù)就成為建立一個(gè)高負(fù)載Web站點(diǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)。

綜上所述，在客戶(hù)端對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，雖然可以最大限度地提高客戶(hù)端的信息傳輸速率，但是，在網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)眾多工作站同時(shí)向同一服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求或同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)文件時(shí)，所產(chǎn)生的信息傳輸阻塞現(xiàn)象卻是無(wú)能為力的。為此在服務(wù)器端采用負(fù)載均衡這種策略，它能讓多臺(tái)服務(wù)器或多條鏈路共同承擔(dān)一些繁重的計(jì)算或I/O任務(wù)，從而以較低成本消除網(wǎng)絡(luò)瓶頸，避免了單機(jī)擁塞或單機(jī)故障造成的不良影響，便于擴(kuò)展，保證服務(wù)需要，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。而且負(fù)載均衡是建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上，提供了一種廉價(jià)有效的方法擴(kuò)展服務(wù)器帶寬和增加吞吐量，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。

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