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負載均衡技術(shù)實現(xiàn)方法

發(fā)布時間: 2012/9/12 14:54:18

負載均衡技術(shù)的引入

信息系統(tǒng)的各個核心部分隨著業(yè)務(wù)量的提高、訪問量和數(shù)據(jù)流量的快速增長，其處理能力和計算強度也相應(yīng)增大，使得單一設(shè)備根本無法承擔(dān)，必須采用多臺服務(wù)器協(xié)同工作，提高計算機系統(tǒng)的處理能力和計算強度，以滿足當前業(yè)務(wù)量的需求。而如何在完成同樣功能的多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間實現(xiàn)合理的業(yè)務(wù)量分配，使之不會出現(xiàn)一臺設(shè)備過忙、而其他的設(shè)備卻沒有充分發(fā)揮處理能力的情況。要解決這一問題，可以采用負載均衡的方法。

負載均衡有兩個方面的含義：首先，把大量的并發(fā)訪問或數(shù)據(jù)流量分擔(dān)到多臺節(jié)點設(shè)備上分別處理，減少用戶等待響應(yīng)的時間；其次，單個重負載的運算分擔(dān)到多臺節(jié)點設(shè)備上做并行處理，每個節(jié)點設(shè)備處理結(jié)束后，將結(jié)果匯總，再返回給用戶，使得信息系統(tǒng)處理能力可以得到大幅度提高。

對一個網(wǎng)絡(luò)的負載均衡應(yīng)用，可以從網(wǎng)絡(luò)的不同層次入手，具體情況要看對網(wǎng)絡(luò)瓶頸所在之處的具體情況進行分析。一般來說，企業(yè)信息系統(tǒng)的負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)器集群策略三個角度實現(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，越來越多的PC機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)鍵部門的業(yè)務(wù)量高，而普通部門低。伴隨計算機處理能力的大幅度提高，人們對工作組局域網(wǎng)的處理能力有了更高的要求。當企業(yè)內(nèi)部對高帶寬應(yīng)用需求不斷增大時（例如Web訪問、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)生瓶頸問題，因此延長了客戶應(yīng)用請求的響應(yīng)時間。并且局域網(wǎng)具有分散特性，網(wǎng)絡(luò)本身并沒有針對服務(wù)器的保護措施，一個無意的動作，像不小心踢掉網(wǎng)線的插頭，就會讓服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)斷開。

通常，解決瓶頸問題采用的對策是提高服務(wù)器鏈路的容量，使其滿足目前的需求。例如可以由快速以太網(wǎng)升級到千兆以太網(wǎng)。對于大型網(wǎng)絡(luò)來說，采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級技術(shù)是一種長遠的、有前景的解決方案。然而對于許多企業(yè)，當需求還沒有大到非得花費大量的金錢和時間進行升級時，使用升級的解決方案就顯得有些浪費了。對于擁有許多網(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)頁等等），將產(chǎn)生大量訪問Web服務(wù)器或進行大量的文檔傳輸；或在縣區(qū)級的網(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)活動時，這種情況尤為突出。然而在需求還沒有大到非得花費大量的金錢和時間進行升級時，實施網(wǎng)絡(luò)的升級就顯得大材小用了。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)將多個線路的傳輸容量融合成一個單一的邏輯連接。當原有的線路滿足不了需求、而單一線路的升級又太昂貴或難以實現(xiàn)時，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。對于計算機局域網(wǎng)系統(tǒng)，可以考慮采用虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）。VRRP可以生成一個虛擬缺省的網(wǎng)關(guān)地址，當主路由器無法接通時，備用路由器就會采用這個地址，使局域網(wǎng)通信得以繼續(xù)。總之，當必需提高主要線路的帶寬而又無法對網(wǎng)絡(luò)進行升級的時候，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、負載均衡設(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)備有機地組合在一起，是一個直接影響到網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵性問題。大型網(wǎng)絡(luò)的核心交換機一般采用高端的機柜式交換機，現(xiàn)在這類交換機一般都提供第四層交換功能，可以將一個外部IP地址映射為多個內(nèi)部IP地址，對每次TCP連接請求動態(tài)使用其中一個內(nèi)部地址，達到負載均衡的目的。有的協(xié)議內(nèi)部支持與負載均衡相關(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)，提供了一種對訪問流量的高層控制方式。Web內(nèi)容交換技術(shù)檢查所有的HTTP報頭，根據(jù)報頭內(nèi)的信息來執(zhí)行負載均衡的決策，并可以根據(jù)這些信息來確定如何為個人主頁和圖像數(shù)據(jù)等內(nèi)容提供服務(wù)。它不是根據(jù)TCP端口號來進行控制的，所以不會造成訪問流量的滯留。如果Web服務(wù)器已經(jīng)為諸如圖像服務(wù)、SSL對話和數(shù)據(jù)庫事務(wù)服務(wù)之類的特殊功能進行了優(yōu)化，那么，采用這個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，有許多專用的設(shè)備，如3Com公司的3ComSuperStack3服務(wù)器負載均衡交換機和Cisco系統(tǒng)公司的CSS交換機產(chǎn)品等，國內(nèi)的服務(wù)器廠商如聯(lián)想和浪潮等也都有專用的負載均衡產(chǎn)品。

帶均衡策略的服務(wù)器群集滿足需求

隨著電子商務(wù)和電子政務(wù)的開展，網(wǎng)上交易和訪問量會明顯增加。企業(yè)的日常經(jīng)營和各種辦公業(yè)務(wù)都往上遷移，所傳送不僅是一般的文本信息，還有很多視頻和語音。如遠程教學(xué)方興未艾，不少院校都在全國各地設(shè)立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)點，進行遠程教學(xué)和在線輔導(dǎo)，各個站點都必須能夠同網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中心進行實時交流，在這種情況下，勢必也會產(chǎn)生大量并發(fā)訪問，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。顯然，單臺服務(wù)器有限的性能不可能解決這個問題，一臺普通服務(wù)器的處理能力只能達到每秒幾萬個到幾十萬個請求，無法在一秒鐘內(nèi)處理上百萬個甚至更多的請求。但若能將10臺這樣的服務(wù)器組成一個系統(tǒng)，并通過軟件技術(shù)將所有請求平均分配給所有服務(wù)器，那么這個系統(tǒng)就完全擁有每秒鐘處理幾百萬個甚至更多請求的能力。這就是利用服務(wù)器群集實現(xiàn)負載均衡的優(yōu)點。　早期的服務(wù)器群集通常以光纖鏡像卡進行主從方式備份。令服務(wù)運營商頭疼的是關(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)器一般檔次不會太低，而服務(wù)運營商花了2臺服務(wù)器的錢卻常常只得到一臺服務(wù)器的性能。通過LSNAT（LoadSharingNetworkAddressTransfer）將多臺服務(wù)器網(wǎng)卡的不同IP地址翻譯成一個虛擬IP地址，使得每臺服務(wù)器均時刻處于工作狀態(tài)。原來需要用小型機來完成的工作改由多臺PC服務(wù)器完成，這種彈性解決方案對投資保護的作用是相當明顯的，既避免了小型機剛性升級所帶來的巨大設(shè)備投資，又避免了人員培訓(xùn)的重復(fù)投資。同時，服務(wù)運營商可以依據(jù)業(yè)務(wù)的需要隨時調(diào)整服務(wù)器的數(shù)量。

網(wǎng)絡(luò)負載均衡提高了諸如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)器可以提供有限級的可靠性和可伸縮性。但是，通過將2個或2個以上高級服務(wù)器的主機連成群集，網(wǎng)絡(luò)負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。

為了建立一個高負載的Web站點，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，每臺服務(wù)器所起到的作用是不同的，屬于非對稱的體系結(jié)構(gòu)。非對稱的服務(wù)器結(jié)構(gòu)中每個服務(wù)器起到的作用是不同的，例如一臺服務(wù)器用于提供靜態(tài)網(wǎng)頁，而另一臺用于提供動態(tài)網(wǎng)頁等等。這樣就使得網(wǎng)頁設(shè)計時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，就會使得某些網(wǎng)頁出現(xiàn)連接錯誤，不利于維護，可擴展性也較差。

能進行負載均衡的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，在對稱結(jié)構(gòu)中每臺服務(wù)器都具備等價的地位，都可以單獨對外提供服務(wù)，而無須其他服務(wù)器的輔助。然后，可以通過某種技術(shù)，將外部發(fā)送來的請求均勻分配到對稱結(jié)構(gòu)中的每臺服務(wù)器上，接收到連接請求的服務(wù)器都獨立回應(yīng)客戶的請求。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，因此負載均衡技術(shù)就成為建立一個高負載Web站點的關(guān)鍵性技術(shù)。

綜上所述，在客戶端對操作系統(tǒng)進行優(yōu)化，改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，雖然可以最大限度地提高客戶端的信息傳輸速率，但是，在網(wǎng)絡(luò)中，當眾多工作站同時向同一服務(wù)器發(fā)出請求或同時訪問同一個文件時，所產(chǎn)生的信息傳輸阻塞現(xiàn)象卻是無能為力的。為此在服務(wù)器端采用負載均衡這種策略，它能讓多臺服務(wù)器或多條鏈路共同承擔(dān)一些繁重的計算或I/O任務(wù)，從而以較低成本消除網(wǎng)絡(luò)瓶頸，避免了單機擁塞或單機故障造成的不良影響，便于擴展，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，提供了一種廉價有效的方法擴展服務(wù)器帶寬和增加吞吐量，加強網(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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