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試析服務(wù)器負載均衡技術(shù)在高校圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò )應用研究
論文關(guān)鍵詞:負載均衡 圖書(shū)館服務(wù)器
論文摘要:闡述了多臺服務(wù)器負載均衡的概念、類(lèi)型和實(shí)現方法，介紹了該技術(shù)在鄭州師范高等專(zhuān)科學(xué)校圖書(shū)館的應用.
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，圖書(shū)館作為全校的信息資源共享中心，擁有的數字資源快速膨脹，提供的服務(wù)內容日益拓寬，讀者對圖書(shū)館資源訪(fǎng)問(wèn)量不斷增加，使得許多初期表現較好的服務(wù)器已經(jīng)顯得疲憊不堪，面對大量的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)已是無(wú)能為力，影響了系統的正常運行，更有甚者，個(gè)別服務(wù)器經(jīng)不起大量的負荷而宕機，致使業(yè)務(wù)中斷，嚴重影響了圖書(shū)館的形象。為解決這些問(wèn)題，很多圖書(shū)館采用的方案是購買(mǎi)大量的服務(wù)器，而且服務(wù)器的配置越來(lái)越高。但只是依靠單一的網(wǎng)絡(luò )設備提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò )設備的整體能力得不到充分發(fā)揮，使整個(gè)系統投入和維護的成本提高，造成了不必要的資源浪費。如何確保為讀者提供低成本、高性能、高可靠的服務(wù)是圖書(shū)館急需解決的問(wèn)題。負載均衡技術(shù)的不斷完善和應用，為圖書(shū)館解決這些問(wèn)題提供了新的思路。
1負載均衡技術(shù)
1.1負載均衡定義
負載均衡是建立在現有網(wǎng)絡(luò )結構之上的，它提供了一種廉價(jià)、有效、透明的方法擴展網(wǎng)絡(luò )設備和服務(wù)器的帶寬，增加吞吐量，加強網(wǎng)絡(luò )數據處理能力，提高網(wǎng)絡(luò )的靈活性和可用性。負載均衡是一種策略，它能讓多臺服務(wù)器或多條鏈路共同承擔一些繁重的計算機或多條鏈路共同承擔一些繁重的計算或任務(wù)，從而以較低成本消除網(wǎng)絡(luò )瓶頸，提高網(wǎng)絡(luò )的靈活性和可靠。服務(wù)器負載均衡就是由多臺服務(wù)器以對稱(chēng)的方式組成一個(gè)服務(wù)器集合，每臺服務(wù)器都具有等價(jià)的地位，都可以單獨對外提供服務(wù)而無(wú)須其他服務(wù)器的輔助。通過(guò)某種負載分擔的算法，將外部發(fā)送來(lái)的請求均勻分配到對稱(chēng)結構中的某一臺服務(wù)器上，而接收到請求的服務(wù)器獨立地回應客戶(hù)的請求。
1.2負載均衡類(lèi)型
服務(wù)器負載均衡可以分為軟件負載均衡和硬件負載均衡。
(1)軟件負載均衡是指在一臺或多臺服務(wù)器相應的操作系統上安裝一個(gè)或多個(gè)附加軟件來(lái)實(shí)現負載均衡。也就是利用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的重定向功能來(lái)實(shí)現負載平衡。例如:在Http協(xié)議中支持定位指令，接收到這個(gè)指令的瀏覽器將自動(dòng)重定向到該指令指明的另一個(gè)URL上，與執行服務(wù)請求相比，發(fā)送定位指令對Web服務(wù)器的負載要小得多，因此，可以根據這個(gè)功能來(lái)設計一種負載平衡的服務(wù)器，一旦W eb服務(wù)器認為自己的負載較大，它就不再直接發(fā)送回瀏覽器請求的網(wǎng)頁(yè)，而是送回一個(gè)定位指令，讓瀏覽器去服務(wù)器集群中的其他服務(wù)器上獲得所需要的網(wǎng)頁(yè)。在這種方式下，服務(wù)器本身必須支持這種功能，然而實(shí)現這一目標卻有很多困難，例如一臺服務(wù)器如何能保證它重定向過(guò)的服務(wù)器是比較空閑的，并且不會(huì )再次發(fā)送定位指令，定位指令和瀏覽器都沒(méi)有這方面的支持能力，這樣很容易在瀏覽器上形成一種死循環(huán)。因此，這種方式在實(shí)際應用當中并不多見(jiàn)，使用這種方式實(shí)現的服務(wù)器集群軟件也較少。
(2)硬件負載均衡是直接在多臺服務(wù)器和外部網(wǎng)絡(luò )間安裝負載均衡設備，這種設備我們通常稱(chēng)之為負載均衡器。負載均衡器在客戶(hù)群和服務(wù)器群中間起橋接作用，一方面接受客戶(hù)的請求，另一方面定時(shí)從服務(wù)器中獲取負載信息，并將客戶(hù)請求提交到當前負載最輕的服務(wù)器上執行。此外，當系統中某一臺服務(wù)器出現故障時(shí)，它就將其上的負載分配到別的服務(wù)器上，從而實(shí)現了故障接管功能。由于專(zhuān)門(mén)的硬件設備完成專(zhuān)門(mén)的任務(wù)，獨立于操作系統，所以整體性能得到大大的提高，加上多樣化的負載均衡策略，智能化的流量管理，可達到最佳的負載均衡需求。
1.3負載均衡的具體實(shí)現方法
常見(jiàn)的負載均衡方法有DNS負載均衡、代理服務(wù)器負載均衡、網(wǎng)絡(luò )地址轉換負載均衡等。
(1)DNS負載均衡。DNS負載均衡方法是一種最早使用的負載均衡方法，它通過(guò)修改DNS設置，為多個(gè)地址配置同一域名，從而使訪(fǎng)問(wèn)同一域名的客戶(hù)機，返回不同的服務(wù)器地址，達到負載均衡的目的。DNS負載均衡的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易行，并且服務(wù)器可以位于互聯(lián)網(wǎng)的任意位置上，但是它不能區分服務(wù)器的差異，也不能反映服務(wù)器的當前運行狀態(tài)。這種負載均衡的基本設計思想只能算是負載均衡技術(shù)的最初應用。
(2)反向代理負載均衡。使用代理服務(wù)器可以將請求轉發(fā)給內部的Web服務(wù)器，使用這種加速模式顯然可以提升靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的訪(fǎng)問(wèn)速度。因此也可以考慮使用這種技術(shù)，讓代理服務(wù)器將請求均勻轉發(fā)給多臺內部Web服務(wù)器之上，從而達到負載均衡的目的。這種代理方式與普通的代理方式有所不同，標準代理方式是客戶(hù)使用代理訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)外部Web服務(wù)器，而這種代理方式是多個(gè)客戶(hù)使用它訪(fǎng)問(wèn)內部Web服務(wù)器.因此也被稱(chēng)為反向代理模式。使用反向代理的好處是，可以將負載均衡和代理服務(wù)器的高速緩存技術(shù)結合在一起，提供有益的性能，具備額外的安全性，外部客戶(hù)不能直接訪(fǎng)問(wèn)真實(shí)的服務(wù)器�？梢圆捎幂^好的負載均衡策略，將負載非常均衡地分給內部服務(wù)器，不會(huì )出現負載集中到某個(gè)服務(wù)器的偶然現象。缺點(diǎn)就是首先必須為每一種服務(wù)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)一個(gè)反向代理服務(wù)器，并且針對每一次代理，代理服務(wù)器就必須維護一個(gè)對外的連接、一個(gè)對內的連接，因此對于響應要求特別高的連接請求時(shí)，代理服務(wù)器的負載也就非常大，容易成為服務(wù)的瓶頸。
(3)基于NAT的負載均衡技術(shù)。網(wǎng)絡(luò )地址轉換(NAT)指在內部地址和外部地址之間進(jìn)行轉換，使得具備內部地址的計算機能訪(fǎng)問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò )，而當外部網(wǎng)絡(luò )中的計算機訪(fǎng)問(wèn)地址轉換網(wǎng)關(guān)擁有的某一外部地址時(shí)，地址轉換網(wǎng)關(guān)能將其轉發(fā)到一個(gè)映射的內部地址上。因此，如果地址轉換網(wǎng)關(guān)能將每個(gè)連接均勻轉換為不同的內部服務(wù)器地址，此后外部網(wǎng)絡(luò )中的計算機就各自與自己轉換得到的地址對應的服務(wù)器進(jìn)行通信，從而達到負載分擔的目的。NAT負載平衡是一種比較完善的負載平衡技術(shù)，起著(zhù)NAT負載平衡功能的設備一般處于內部服務(wù)器到外部網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)位置，如路由器、防火墻、四層交換機、專(zhuān)用負載平衡器等，平衡算法也較靈活，如隨機選擇、最少連接數及響應時(shí)間等來(lái)分配負載。
NAT負載平衡可以通過(guò)軟硬件方式來(lái)實(shí)現。通過(guò)軟件方式來(lái)實(shí)現 NAT負載平衡的設備往往受到帶寬及系統本身處理能力的限制。由于NAT比較接近網(wǎng)絡(luò )的低層，因此就可以將它集成在硬件設備中，通常這樣的硬件設備是第四層交換機和專(zhuān)用負載平衡器，第四層交換機的一項重要功能就是NAT負載平衡。
2負載均衡技術(shù)在圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò )中的應用
圖1中，圖書(shū)館的各個(gè)服務(wù)器連接到核心交換機，并通過(guò)防火墻與校園網(wǎng)連接。在實(shí)施負載均衡前，每個(gè)服務(wù)器都承擔一種Web服務(wù)，服務(wù)器配置的差異和各種數據庫訪(fǎng)問(wèn)量的差異造成了服務(wù)器負載的差異。系統中CNKI系列數據庫、WWW書(shū)目檢索系統的訪(fǎng)問(wèn)量大，致使服務(wù)器負載過(guò)高，不能為用戶(hù)提供高質(zhì)量的服務(wù)。超星數字圖書(shū)館服務(wù)器在有讀者下載圖書(shū)時(shí)，突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)量大，而大多的時(shí)間比較空閑。萬(wàn)方數據庫服務(wù)器和圖書(shū)館網(wǎng)站服務(wù)器則負載較輕。另外，在任何一臺服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，此服務(wù)器承擔的服務(wù)也就無(wú)法進(jìn)行。為此，我們計劃優(yōu)化圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò )信息平臺，建立負載均衡系統，要求具有較高的吞吐能力和處理能力，網(wǎng)絡(luò )各層均不存在阻塞，具備對突發(fā)流量的承受能力和容災能力。經(jīng)過(guò)研究，我館決定采用F5 BIG-IP5000來(lái)實(shí)現負載均衡。
FS BIG-IP 5000是F5 Networks公司對流量和內容進(jìn)行管理分配的設備。它擁有24個(gè)端口、具備4-7層全部軟件能力的2/3層交換機，能夠按照眾多業(yè)務(wù)規則和參數對IP流量進(jìn)行分類(lèi)(截聽(tīng)、檢查、傳送和引導)�？纱_保流量被智能地路由到最高效的目的地進(jìn)行高速緩存、流量整型或是確定用戶(hù)行為。F5利用虛擬IP地址來(lái)為用戶(hù)提供服務(wù)，F5連續地對目標服務(wù)器進(jìn)行L4,L7合理性檢查，當用戶(hù)通過(guò)虛擬IP地址求目標服務(wù)器服務(wù)時(shí)，FS根據預先設定的負載均衡算法，選擇性能最佳的服務(wù)器響應用戶(hù)的請求。
在FS-5000上，我們對5臺物理服務(wù)器進(jìn)行配置，建立了2個(gè)虛擬服務(wù)站點(diǎn)，每個(gè)虛擬服務(wù)站點(diǎn)對應一個(gè)節點(diǎn)池。各節點(diǎn)池目前基本采用輪詢(xún)算法，因為各個(gè)成員節點(diǎn)配置基本相同，將其權重系數和優(yōu)先級都設置為1，正常工作時(shí)，用戶(hù)將訪(fǎng)問(wèn)第二個(gè)虛擬服務(wù)器218.28. 191.160;80，負載均衡機在接收到用戶(hù)請求后，根據均衡算法，將用戶(hù)請求轉發(fā)到節點(diǎn)池中的某個(gè)節點(diǎn)上，該節點(diǎn)在處理完后，將結果返回給用戶(hù)。
系統在采用了FS作應用負載均衡后，圖書(shū)館信息平臺明顯獲得了性能的提升，服務(wù)器組所能承受的最大并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)數能達到400-500個(gè)，用戶(hù)的請求能得到及時(shí)的響應。同時(shí)，服務(wù)的高可靠性和穩定性得到提高，服務(wù)器故障、系統維護或數據維護時(shí)，仍可以保持在線(xiàn)信息服務(wù)，減少了信息平臺的停機時(shí)間。
總之，在圖書(shū)館的發(fā)展過(guò)程中，用戶(hù)需求不斷提升，利用多臺服務(wù)器，采用相應的負載平衡技術(shù)，不僅可以使老式服務(wù)器得到充分的利用，達到節約資金的目的，而且將會(huì )在很大程度上提高數字圖書(shū)館應用的可縮放性，更好地滿(mǎn)足日益變化的讀者需求。
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