基于Linux的服務器集群負載均衡系統(tǒng)的研究_百度文庫

1、基于Linux 的服務器集群負載均衡系統(tǒng)的研究熊松華東交通大學信息工程學院，南昌 (330013E-mail ：摘 要：負載均衡是建立在現有網絡結構之上，提供一種廉價有效的方法擴展服務器帶寬和增加吞吐量，加強網絡數據處理能力的方法。提出了負載均衡算法的組成，分析比較了幾種算法各自的優(yōu)點和短處。通過調度思想設計實現了一種基于Linux 操作系統(tǒng)的服務器集群負載均衡系統(tǒng)。通過實際的測試數據證明了這種負載均衡模式的有效性。關鍵詞：負載均衡，服務器集群，LINUX ，調度中圖分類號：TP393.011. 引言互聯網的快速增長已經使網絡服務器面對的訪問數量大大增加并且將來的增長速度更加不可預知。如今，務

2、器必須具備提供大量并發(fā)訪問服務的能力，其處理能力和I/O能力已經成為瓶頸，如果客戶的增多導致處理量超出了服務器所能承受的范圍，那么其結果必然是導致服務器拒絕服務或者崩潰，嚴重影響服務質量，造成巨大的經濟損失。顯然，單臺服務器有限的性能不可能解決這個問題，可將多臺服務器組成一個系統(tǒng)，并通過軟件技術將所有業(yè)務處理請求和I/O吞吐平均分配給所有服務器，那么這個系統(tǒng)就完全擁有足夠的處理能力，這便是負載均衡最初的基本設計思想。Linux 系統(tǒng)是當今使用非常廣泛的服務器系統(tǒng)，它具有良好的安全性、高效性、穩(wěn)定性、可擴展性和易用性。特別需要提到的是Linux 系統(tǒng)是開源操作系統(tǒng)，所有源代碼是公開的并且可以在遵

3、循GPL （General Public License）的情況下可按需修改源程序，制定符合特殊應用領域的專業(yè)操作系統(tǒng)。在本文闡述的負載均衡技術的研究中，將使用上述Linux 操作系統(tǒng)的優(yōu)點和特性，設計出合理高效的系統(tǒng)1。本文內容是基于Linux 操作系統(tǒng)的服務器集群負載均衡技術的研究，針對當前大中型服務應用中所遇到的瓶頸，進行了深入的研究，提出了一些解決辦法。2. 負載均衡系統(tǒng)的算法分析2.1 負載均衡的種類負載均衡分為兩種類型：一種是靜態(tài)負載均衡，一種是動態(tài)負載均衡。只是利用系統(tǒng)負載的平均信息，而忽視系統(tǒng)當前的負載狀況的方法被稱為靜態(tài)負載均衡。根據系統(tǒng)當前的負載狀況來調整任務劃分的方法被稱

4、為動態(tài)負載均衡。本文中將針對動態(tài)負載均衡進行分析與研究。2.2 產生負載不均衡的原因分析產生負載不均衡的原因主要有以下三種：1 某些算法的迭代大小不是固定的，但迭代的大小在編譯時卻可以被求得；2 某些算法的迭代大小不是固定的，并且迭代的大小依賴于被處理的數據，在編譯時無法求得；3 即使迭代大小是固定的，也會有許多不定因素導致計算速度的差異；對于第一種情況可在編譯時估計各迭代的工作量，按照處理節(jié)點的處理能力分布迭代，這就是靜態(tài)負載均衡的方法。對第二、三種情況來說，必須采用動態(tài)負載均衡的手段，在運行過程中根據各個處理節(jié)點完成任務的情況，動態(tài)地遷移任務，實現動態(tài)負載均衡。進行動態(tài)負載均衡需要考察處理

5、節(jié)點的處理能力，它的基本依據是根據處理節(jié)點當前的處理速度預見未來的處理速度2。2.3 負載均衡算法的組成一個負載均衡算法應當包含以下三個組成部分：信息策略：任務放置策略使用的負載和任務量，以及信息分配的方式。傳送策略：基于任務和服務器負載，判斷是否要把一個任務傳送到其它服務器上處理。 放置策略：對于適合傳送到其它服務器處理的任務，選擇任務將被傳送的目的服務器。 負載均衡的上述三個部分之間是以不同的方式相互作用的。放置策略利用信息策略提供的負載信息，僅當任務被傳送策略判斷為適于傳送之后才行動?？偟貋碚f，設計優(yōu)良的負載均衡算法應當提供最短的平均任務響應時間，能適于變化的負載，是可靠的負載均衡機制。

6、放置策略是集群負載均衡算法的關鍵，它決定了一個集群負載均衡算法的主要效率、穩(wěn)定性和健壯性。本文將分析以下三種集群負載均衡算法中放置策略的優(yōu)點和缺點。(1 閥值策略。隨機選擇集群中一臺服務器，判斷若把任務傳送到此服務器后任務隊列長度是否會超過閥值。如果不超過，就傳送此任務；否則，隨機選擇另一臺服務器，并以同樣方式進行判斷。循環(huán)處理，直到找到一臺合適的目的服務器，或探測次數超過一個靜態(tài)值限制，當任務真正到達服務器后，不管狀態(tài)如何，必須處理該任務。該策略的優(yōu)點是能確保一個進入集群的任務請求能夠被應答。缺點是隨機選擇集群中的服務器進行閥值判斷降低了服務響應的時間。(2 最短任務隊列策略。隨機選擇集群中

7、若干臺不同的服務器，察看每臺服務器的任務隊列長度，任務被傳送到具有最短任務隊列長度的服務器。當任務真正到達服務器，無論狀態(tài)如何，目的服務器必須處理該任務。該策略的優(yōu)點是能確保一個進入集群的任務請求保證能夠被應答。缺點同樣是隨機選擇集群中的若干臺服務器進行閥值判斷降低了服務響應的時間。相對閥值策略而言，該策略的響應時間和響應效率已有提高。(3 保留策略。當一個任務從一臺服務器離開時，該服務器檢查本地負載，如果負載小于閥值T1，就探測其它服務器，并在R 個負載大于T1的服務器中登記該服務器的名字，并把登記的內容保留到一個棧中。當一個任務到達一臺超載的服務器時，就把這個任務傳送到此服務器棧頂上。如果

8、一個服務器的負載低于T1，就清空棧里保留的所有服務器名。該策略的優(yōu)點是集群中的服務器采用主動方式動態(tài)調整負載的分配，能夠取得較好的響應效率。缺點是一旦機群中某臺服務器由于故障無法和其他服務器進行通訊，就會造成處于這臺失效服務器上的業(yè)務被死鎖，無法得到響應。3. 提出改進的負載均衡算法在特定的應用場合有不同的集群負載均衡需求，現有的算法大多為集群內部業(yè)務處理機充當負載判定者的角色。這種處理方式具有以下兩個方面的缺點：(1 降低了業(yè)務處理機的專一性，業(yè)務服務器在承擔業(yè)務處理的同時還需要由自身來兼顧負載的判斷，這種方式在處理比較耗時的I/O任務時容易造成業(yè)務請求在集群中的停滯等待。(2 降低了集群的

9、I/O吞吐能力，業(yè)務請求在集群內部的跳轉和判斷占用了太多的內部網絡資源和處理時間。本文針對現有集群負載均衡算法的局限性，提出一種改進的集群負載均衡算法，它是基于調度思想的。該思想就是讓一個特定的處理節(jié)點獨立出來擔任業(yè)務分配器的角色，我們稱之為調度服務器，而把其它完成業(yè)務處理的節(jié)點稱業(yè)務服務器。調度服務器為了掌握負載情況，需要維護一張負載分布表。在系統(tǒng)運行時，業(yè)務服務器按照一定的周期向調度服務器提交業(yè)務完成情況，由調度服務器根據這些信息判斷各個業(yè)務服務器的處理能力，進行任務分配，將業(yè)務請求分配給負載較輕的業(yè)務服務器，同時還要隨之更新在調度服務器上的負載分布表。任務調度的優(yōu)點是顯而易見的，調度服務

10、器掌握所有業(yè)務服務器的處理能力和負載的分布情況，因此它可以在綜合各種因素的基礎上找到最佳的任務分派方式。特別需要提出的是，調度服務器在判斷是否進行任務分派時，業(yè)務服務器必須等待，這無疑又降低了業(yè)務服務器的處理能力。本文中的系統(tǒng)采用的方法是調度服務器在收到業(yè)務服務器的當前任務完成情況時，立即將其存儲，并把根據上次的信息做出的判斷返回給業(yè)務服務器以減少延遲，在空閑時再根據本次收到的信息做出判斷，留到下次使用。這樣就把調度服務器進行任務分派決策的時間和業(yè)務服務器完成業(yè)務處理的時間重疊了起來，降低了動態(tài)負載均衡的開銷。4. 負載均衡系統(tǒng)的設計4.1 負載均衡服務器集群的系統(tǒng)架構負載均衡服務器集群系統(tǒng)框

11、架如圖1所示，系統(tǒng)由客戶端、路由控制設備、調度服務器、業(yè)務服務器等4部分組成。整個系統(tǒng)從體系的安全性和性能都做了周密的設計，任何客戶端發(fā)出的請求都必須經過防火墻的檢測，也必須符合路由中設置的訪問控制規(guī)則的限制，以保證任何到達調度服務器的請求都具有安全合法的來源。 圖1負載均衡服務器集群系統(tǒng)框架圖Fig1 System framework of load balancing server cluster如圖2所示，顯示了一次完整的從客戶提出服務請求到完成服務的過程?？蛻舳耸紫忍岢龇照埱?，通過Internet 發(fā)送至調度服務器所用的IP 地址和服務端口，之前必須要通過防火墻和路由規(guī)則的驗證。調度

12、服務器通過運行在本機上的調度算法從業(yè)務處理機集群中選擇出當前負載最輕的業(yè)務服務器，將客戶服務請求轉發(fā)到這臺業(yè)務服務器上，完成業(yè)務處理。依據服務使用網絡協議的不同，在完成負載均衡運算后處理方式存在一些差異，如果業(yè)務是基于TCP 流連接模式，則將負載最輕的業(yè)務處理機代號返回給客戶端，使客戶端進行二次連接，繼續(xù)與對應代號的業(yè)務服務器完成業(yè)務；如果服務是基于無連接的UDP 協議，則可直接通過調度服務器將服務請求轉發(fā)至負載最輕的業(yè)務處理機，完成業(yè)務處理3。 Fig2 Process of service request in Load Balancing System圖2 負載均衡系統(tǒng)中服務請求過程圖4.2 系統(tǒng)調度策略的實現系統(tǒng)采取了一種效率和安全性更高的做法，通過兩臺具有同步功能的調度服務器記錄集群內業(yè)務服務器的負載分布情況。采用兩臺調度服務器的做法一方面可以分擔調