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試析服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)在高校圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究
論文關(guān)鍵詞:負(fù)載均衡 圖書(shū)館服務(wù)器
論文摘要:闡述了多臺(tái)服務(wù)器負(fù)載均衡的概念、類(lèi)型和實(shí)現(xiàn)方法，介紹了該技術(shù)在鄭州師范高等�？茖W(xué)校圖書(shū)館的應(yīng)用.
隨著網(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(shù)字資源快速膨脹，提供的服務(wù)內(nèi)容日益拓寬，讀者對(duì)圖書(shū)館資源訪問(wèn)量不斷增加，使得許多初期表現(xiàn)較好的服務(wù)器已經(jīng)顯得疲憊不堪，面對(duì)大量的用戶訪問(wèn)已是無(wú)能為力，影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，更有甚者，個(gè)別服務(wù)器經(jīng)不起大量的負(fù)荷而宕機(jī)，致使業(yè)務(wù)中斷，嚴(yán)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(gòu)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(shè)備提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的整體能力得不到充分發(fā)揮，使整個(gè)系統(tǒng)投入和維護(hù)的成本提高，造成了不必要的資源浪費(fèi)。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(fù)載均衡技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用，為圖書(shū)館解決這些問(wèn)題提供了新的思路。
1負(fù)載均衡技術(shù)
1.1負(fù)載均衡定義
負(fù)載均衡是建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上的，它提供了一種廉價(jià)、有效、透明的方法擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬，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。負(fù)載均衡是一種策略，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)算機(jī)或多條鏈路共同承擔(dān)一些繁重的計(jì)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(fù)載均衡就是由多臺(tái)服務(wù)器以對(duì)稱的方式組成一個(gè)服務(wù)器集合，每臺(tái)服務(wù)器都具有等價(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。通過(guò)某種負(fù)載分擔(dān)的算法，將外部發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求均勻分配到對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的某一臺(tái)服務(wù)器上，而接收到請(qǐng)求的服務(wù)器獨(dú)立地回應(yīng)客戶的請(qǐng)求。
1.2負(fù)載均衡類(lèi)型
服務(wù)器負(fù)載均衡可以分為軟件負(fù)載均衡和硬件負(fù)載均衡。
(1)軟件負(fù)載均衡是指在一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器相應(yīng)的操作系統(tǒng)上安裝一個(gè)或多個(gè)附加軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)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(xiàn)負(fù)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(zhí)行服務(wù)請(qǐng)求相比，發(fā)送定位指令對(duì)Web服務(wù)器的負(fù)載要小得多，因此，可以根據(jù)這個(gè)功能來(lái)設(shè)計(jì)一種負(fù)載平衡的服務(wù)器，一旦W eb服務(wù)器認(rèn)為自己的負(fù)載較大，它就不再直接發(fā)送回瀏覽器請(qǐng)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(xiàn)這一目標(biāo)卻有很多困難，例如一臺(tái)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(yīng)用當(dāng)中并不多見(jiàn)，使用這種方式實(shí)現(xiàn)的服務(wù)器集群軟件也較少。
(2)硬件負(fù)載均衡是直接在多臺(tái)服務(wù)器和外部網(wǎng)絡(luò)間安裝負(fù)載均衡設(shè)備，這種設(shè)備我們通常稱之為負(fù)載均衡器。負(fù)載均衡器在客戶群和服務(wù)器群中間起橋接作用，一方面接受客戶的請(qǐng)求，另一方面定時(shí)從服務(wù)器中獲取負(fù)載信息，并將客戶請(qǐng)求提交到當(dāng)前負(fù)載最輕的服務(wù)器上執(zhí)行。此外，當(dāng)系統(tǒng)中某一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，它就將其上的負(fù)載分配到別的服務(wù)器上，從而實(shí)現(xiàn)了故障接管功能。由于專門(mén)的硬件設(shè)備完成專門(mén)的任務(wù)，獨(dú)立于操作系統(tǒng)，所以整體性能得到大大的提高，加上多樣化的負(fù)載均衡策略，智能化的流量管理，可達(dá)到最佳的負(fù)載均衡需求。
1.3負(fù)載均衡的具體實(shí)現(xiàn)方法
常見(jiàn)的負(fù)載均衡方法有DNS負(fù)載均衡、代理服務(wù)器負(fù)載均衡、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換負(fù)載均衡等。
(1)DNS負(fù)載均衡。DNS負(fù)載均衡方法是一種最早使用的負(fù)載均衡方法，它通過(guò)修改DNS設(shè)置，為多個(gè)地址配置同一域名，從而使訪問(wèn)同一域名的客戶機(jī)，返回不同的服務(wù)器地址，達(dá)到負(fù)載均衡的目的。DNS負(fù)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(qū)分服務(wù)器的差異，也不能反映服務(wù)器的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。這種負(fù)載均衡的基本設(shè)計(jì)思想只能算是負(fù)載均衡技術(shù)的最初應(yīng)用。
(2)反向代理負(fù)載均衡。使用代理服務(wù)器可以將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)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(qǐng)求均勻轉(zhuǎn)發(fā)給多臺(tái)內(nèi)部Web服務(wù)器之上，從而達(dá)到負(fù)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(biāo)準(zhǔn)代理方式是客戶使用代理訪問(wèn)多個(gè)外部Web服務(wù)器，而這種代理方式是多個(gè)客戶使用它訪問(wèn)內(nèi)部Web服務(wù)器.因此也被稱為反向代理模式。使用反向代理的好處是，可以將負(fù)載均衡和代理服務(wù)器的高速緩存技術(shù)結(jié)合在一起，提供有益的性能，具備額外的安全性，外部客戶不能直接訪問(wèn)真實(shí)的服務(wù)器。可以采用較好的負(fù)載均衡策略，將負(fù)載非常均衡地分給內(nèi)部服務(wù)器，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載集中到某個(gè)服務(wù)器的偶然現(xiàn)象。缺點(diǎn)就是首先必須為每一種服務(wù)專門(mén)開(kāi)發(fā)一個(gè)反向代理服務(wù)器，并且針對(duì)每一次代理，代理服務(wù)器就必須維護(hù)一個(gè)對(duì)外的連接、一個(gè)對(duì)內(nèi)的連接，因此對(duì)于響應(yīng)要求特別高的連接請(qǐng)求時(shí)，代理服務(wù)器的負(fù)載也就非常大，容易成為服務(wù)的瓶頸。
(3)基于NAT的負(fù)載均衡技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)指在內(nèi)部地址和外部地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得具備內(nèi)部地址的計(jì)算機(jī)能訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)，而當(dāng)外部網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)訪問(wèn)地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)擁有的某一外部地址時(shí)，地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)能將其轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)映射的內(nèi)部地址上。因此，如果地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)能將每個(gè)連接均勻轉(zhuǎn)換為不同的內(nèi)部服務(wù)器地址，此后外部網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)就各自與自己轉(zhuǎn)換得到的地址對(duì)應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)行通信，從而達(dá)到負(fù)載分擔(dān)的目的。NAT負(fù)載平衡是一種比較完善的負(fù)載平衡技術(shù)，起著NAT負(fù)載平衡功能的設(shè)備一般處于內(nèi)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(jī)、專用負(fù)載平衡器等，平衡算法也較靈活，如隨機(jī)選擇、最少連接數(shù)及響應(yīng)時(shí)間等來(lái)分配負(fù)載。
NAT負(fù)載平衡可以通過(guò)軟硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn) NAT負(fù)載平衡的設(shè)備往往受到帶寬及系統(tǒng)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(shè)備中，通常這樣的硬件設(shè)備是第四層交換機(jī)和專用負(fù)載平衡器，第四層交換機(jī)的一項(xiàng)重要功能就是NAT負(fù)載平衡。
2負(fù)載均衡技術(shù)在圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
圖1中，圖書(shū)館的各個(gè)服務(wù)器連接到核心交換機(jī)，并通過(guò)防火墻與校園網(wǎng)連接。在實(shí)施負(fù)載均衡前，每個(gè)服務(wù)器都承擔(dān)一種Web服務(wù)，服務(wù)器配置的差異和各種數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)量的差異造成了服務(wù)器負(fù)載的差異。系統(tǒng)中CNKI系列數(shù)據(jù)庫(kù)、WWW書(shū)目檢索系統(tǒng)的訪問(wèn)量大，致使服務(wù)器負(fù)載過(guò)高，不能為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)。超星數(shù)字圖書(shū)館服務(wù)器在有讀者下載圖書(shū)時(shí)，突發(fā)訪問(wèn)量大，而大多的時(shí)間比較空閑。萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和圖書(shū)館網(wǎng)站服務(wù)器則負(fù)載較輕。另外，在任何一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，此服務(wù)器承擔(dān)的服務(wù)也就無(wú)法進(jìn)行。為此，我們計(jì)劃優(yōu)化圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，建立負(fù)載均衡系統(tǒng)，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(duì)突發(fā)流量的承受能力和容災(zāi)能力。經(jīng)過(guò)研究，我館決定采用F5 BIG-IP5000來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。
FS BIG-IP 5000是F5 Networks公司對(duì)流量和內(nèi)容進(jìn)行管理分配的設(shè)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(jī)，能夠按照眾多業(yè)務(wù)規(guī)則和參數(shù)對(duì)IP流量進(jìn)行分類(lèi)(截聽(tīng)、檢查、傳送和引導(dǎo))�？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行為。F5利用虛擬IP地址來(lái)為用戶提供服務(wù)，F(xiàn)5連續(xù)地對(duì)目標(biāo)服務(wù)器進(jìn)行L4,L7合理性檢查，當(dāng)用戶通過(guò)虛擬IP地址求目標(biāo)服務(wù)器服務(wù)時(shí)，F(xiàn)S根據(jù)預(yù)先設(shè)定的負(fù)載均衡算法，選擇性能最佳的服務(wù)器響應(yīng)用戶的請(qǐng)求。
在FS-5000上，我們對(duì)5臺(tái)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(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)池。各節(jié)點(diǎn)池目前基本采用輪詢算法，因?yàn)楦鱾�(gè)成員節(jié)點(diǎn)配置基本相同，將其權(quán)重系數(shù)和優(yōu)先級(jí)都設(shè)置為1，正常工作時(shí)，用戶將訪問(wèn)第二個(gè)虛擬服務(wù)器218.28. 191.160;80，負(fù)載均衡機(jī)在接收到用戶請(qǐng)求后，根據(jù)均衡算法，將用戶請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)池中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)上，該節(jié)點(diǎn)在處理完后，將結(jié)果返回給用戶。
系統(tǒng)在采用了FS作應(yīng)用負(fù)載均衡后，圖書(shū)館信息平臺(tái)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)訪問(wèn)數(shù)能達(dá)到400-500個(gè)，用戶的請(qǐng)求能得到及時(shí)的響應(yīng)。同時(shí)，服務(wù)的高可靠性和穩(wěn)定性得到提高，服務(wù)器故障、系統(tǒng)維護(hù)或數(shù)據(jù)維護(hù)時(shí)，仍可以保持在線信息服務(wù)，減少了信息平臺(tái)的停機(jī)時(shí)間。
總之，在圖書(shū)館的發(fā)展過(guò)程中，用戶需求不斷提升，利用多臺(tái)服務(wù)器，采用相應(yīng)的負(fù)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(dá)到節(jié)約資金的目的，而且將會(huì)在很大程度上提高數(shù)字圖書(shū)館應(yīng)用的可縮放性，更好地滿足日益變化的讀者需求。
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