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負載均衡技術實現方法

發布時間: 2012/9/12 14:54:23

負載均衡技術的引入

信息系統的各個核心部分隨著業務量的提高、訪問量和數據流量的快速增長，其處理能力和計算強度也相應增大，使得單一設備根本無法承擔，必須采用多臺服務器協同工作，提高計算機系統的處理能力和計算強度，以滿足當前業務量的需求。而如何在完成同樣功能的多個網絡設備之間實現合理的業務量分配，使之不會出現一臺設備過忙、而其他的設備卻沒有充分發揮處理能力的情況。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，把大量的并發訪問或數據流量分擔到多臺節點設備上分別處理，減少用戶等待響應的時間；其次，單個重負載的運算分擔到多臺節點設備上做并行處理，每個節點設備處理結束后，將結果匯總，再返回給用戶，使得信息系統處理能力可以得到大幅度提高。

對一個網絡的負載均衡應用，可以從網絡的不同層次入手，具體情況要看對網絡瓶頸所在之處的具體情況進行分析。一般來說，企業信息系統的負載均衡大體上都從傳輸鏈路聚合、采用更高層網絡交換技術和設置服務器集群策略三個角度實現。

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用，越來越多的PC機使用更加快速的方法連入網絡。而網絡中的業務量分布是不平衡的，一般表現為網絡核心的業務量高，而邊緣比較低，關鍵部門的業務量高，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的處理能力有了更高的要求。當企業內部對高帶寬應用需求不斷增大時（例如Web訪問、文檔傳輸及內部網連接），局域網核心部位的數據接口將產生瓶頸問題，因此延長了客戶應用請求的響應時間。并且局域網具有分散特性，網絡本身并沒有針對服務器的保護措施，一個無意的動作，像不小心踢掉網線的插頭，就會讓服務器與網絡斷開。

通常，解決瓶頸問題采用的對策是提高服務器鏈路的容量，使其滿足目前的需求。例如可以由快速以太網升級到千兆以太網。對于大型網絡來說，采用網絡系統升級技術是一種長遠的、有前景的解決方案。然而對于許多企業，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。對于擁有許多網絡教室和多媒體教室的普通中學和職業中學，在某些課程的教學期間（比如上傳學生制作的網頁等等），將產生大量訪問Web服務器或進行大量的文檔傳輸；或在縣區級的網絡信息網上舉行優秀老師示范課教學、定期的教學交流等教學活動時，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，實施網絡的升級就顯得大材小用了。在這種情況下，鏈路聚合技術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時，就可采用多線路的解決方案。

鏈路聚合系統增加了網絡的復雜性，但也提高了網絡的可靠性，使人們可以在服務器等關鍵局域網段的線路上采用冗余路由。對于計算機局域網系統，可以考慮采用虛擬路由冗余協議（VRRP）。VRRP可以生成一個虛擬缺省的網關地址，當主路由器無法接通時，備用路由器就會采用這個地址，使局域網通信得以繼續。總之，當必需提高主要線路的帶寬而又無法對網絡進行升級的時候，便可以采用鏈路聚合技術。

高層交換適合大型網絡

大型的網絡一般都是由大量專用技術設備組成的，如包括防火墻、路由器、第2層/3層交換機、負載均衡設備、緩沖服務器和Web服務器等。如何將這些技術設備有機地組合在一起，是一個直接影響到網絡性能的關鍵性問題。大型網絡的核心交換機一般采用高端的機柜式交換機，現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地址映射為多個內部IP地址，對每次TCP連接請求動態使用其中一個內部地址，達到負載均衡的目的。有的協議內部支持與負載均衡相關的功能，例如HTTP協議中的重定向能力。

Web內容交換技術，即URL交換或七層交換技術，提供了一種對訪問流量的高層控制方式。Web內容交換技術檢查所有的HTTP報頭，根據報頭內的信息來執行負載均衡的決策，并可以根據這些信息來確定如何為個人主頁和圖像數據等內容提供服務。它不是根據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服務器已經為諸如圖像服務、SSL對話和數據庫事務服務之類的特殊功能進行了優化，那么，采用這個層次的流量控制將可以提高網絡的性能。目前，采用高層交換技術的產品與方案，有許多專用的設備，如3Com公司的3ComSuperStack3服務器負載均衡交換機和Cisco系統公司的CSS交換機產品等，國內的服務器廠商如聯想和浪潮等也都有專用的負載均衡產品。

帶均衡策略的服務器群集滿足需求

隨著電子商務和電子政務的開展，網上交易和訪問量會明顯增加。企業的日常經營和各種辦公業務都往上遷移，所傳送不僅是一般的文本信息，還有很多視頻和語音。如遠程教學方興未艾，不少院校都在全國各地設立網絡教學點，進行遠程教學和在線輔導，各個站點都必須能夠同網絡教學中心進行實時交流，在這種情況下，勢必也會產生大量并發訪問，因此要求網絡中心服務器必須具備提供大量并發訪問服務的能力。這樣，網絡中心服務器的處理能力和I/O能力已經成為提供服務的瓶頸。如果客戶的增多導致通信量超出了服務器能承受的范圍，那么其結果必然是宕機。顯然，單臺服務器有限的性能不可能解決這個問題，一臺普通服務器的處理能力只能達到每秒幾萬個到幾十萬個請求，無法在一秒鐘內處理上百萬個甚至更多的請求。但若能將10臺這樣的服務器組成一個系統，并通過軟件技術將所有請求平均分配給所有服務器，那么這個系統就完全擁有每秒鐘處理幾百萬個甚至更多請求的能力。這就是利用服務器群集實現負載均衡的優點。　早期的服務器群集通常以光纖鏡像卡進行主從方式備份。令服務運營商頭疼的是關鍵性服務器或應用較多、數據流量較大的服務器一般檔次不會太低，而服務運營商花了2臺服務器的錢卻常常只得到一臺服務器的性能。通過LSNAT（LoadSharingNetworkAddressTransfer）將多臺服務器網卡的不同IP地址翻譯成一個虛擬IP地址，使得每臺服務器均時刻處于工作狀態。原來需要用小型機來完成的工作改由多臺PC服務器完成，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備投資，又避免了人員培訓的重復投資。同時，服務運營商可以依據業務的需要隨時調整服務器的數量。

網絡負載均衡提高了諸如Web服務器、FTP服務器和其他關鍵任務服務器上的Internet服務器程序的可用性和可伸縮性。單一服務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個以上高級服務器的主機連成群集，網絡負載均衡就能夠提供關鍵任務服務器所需的可靠性和性能。

為了建立一個高負載的Web站點，必須使用多服務器的分布式結構。如使用代理服務器和Web服務器相結合，或者2臺Web服務器相互協作，這種方式也屬于多服務器的結構。但在這些多服務器的結構中，每臺服務器所起到的作用是不同的，屬于非對稱的體系結構。非對稱的服務器結構中每個服務器起到的作用是不同的，例如一臺服務器用于提供靜態網頁，而另一臺用于提供動態網頁等等。這樣就使得網頁設計時就需要考慮不同服務器之間的關系。一旦要改變服務器之間的關系，就會使得某些網頁出現連接錯誤，不利于維護，可擴展性也較差。

能進行負載均衡的網絡設計結構為對稱結構，在對稱結構中每臺服務器都具備等價的地位，都可以單獨對外提供服務，而無須其他服務器的輔助。然后，可以通過某種技術，將外部發送來的請求均勻分配到對稱結構中的每臺服務器上，接收到連接請求的服務器都獨立回應客戶的請求。在這種結構中，由于建立內容完全一致的Web服務器并不困難，因此負載均衡技術就成為建立一個高負載Web站點的關鍵性技術。

綜上所述，在客戶端對操作系統進行優化，改善網絡環境，雖然可以最大限度地提高客戶端的信息傳輸速率，但是，在網絡中，當眾多工作站同時向同一服務器發出請求或同時訪問同一個文件時，所產生的信息傳輸阻塞現象卻是無能為力的。為此在服務器端采用負載均衡這種策略，它能讓多臺服務器或多條鏈路共同承擔一些繁重的計算或I/O任務，從而以較低成本消除網絡瓶頸，避免了單機擁塞或單機故障造成的不良影響，便于擴展，保證服務需要，提高網絡的靈活性和可靠性。而且負載均衡是建立在現有網絡結構之上，提供了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，提高網絡的靈活性和可用性。

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