劉玉艷，沈明玉

（1. 池州學(xué)院，池州 247000；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

隨著Internet的飛速發(fā)展和對人們生活影響的深入，越來越多的人選擇在互聯(lián)網(wǎng)上購物、娛樂、休閑、獲取信息或與人溝通；更多的企事業(yè)、單位、公司通過互聯(lián)網(wǎng)來完成它們的業(yè)務(wù)，建立與客戶的聯(lián)絡(luò)。這種變化促使互聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)和網(wǎng)絡(luò)流量以幾何級數(shù)增長，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可伸縮性提出了更高的要求。

日益增長的訪問量和高強度的負荷對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的性能要求越來越高，越來越多的應(yīng)用要求能夠提供不間斷的服務(wù)，服務(wù)器端的任何中斷都將造成不可估量的損失，因此需要一套可靠的方案來解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的高可用性問題。

用Linux虛擬服務(wù)器（Linux Virtual Server）技術(shù)可以建立一個具有高性價比、可擴展性和高可管理性等特性的集群系統(tǒng)，能有效解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)負載均衡的問題[1]。

1 LVS調(diào)度算法及算法選用

1.1 LVS負載均衡調(diào)度算法

Linux Virtual Server（簡稱LVS）系統(tǒng)是一個開源項目，它采用基于IP層負載均衡的調(diào)度方法將TCP/IP請求均衡地分配到不同的真實服務(wù)器(Real Server，簡稱RS)上，負載均衡器自動屏蔽掉真實服務(wù)器的故障，將一組真實服務(wù)器構(gòu)成一個高性能的、高可用的虛擬服務(wù)器[2～4]。

LVS系統(tǒng)屬于任務(wù)級負載均衡。它采用集中式任務(wù)分配，任務(wù)的分配是以連接為粒度。如在HTTP 協(xié)議中，每個從Web 服務(wù)器上獲得的對象都需要建立一個TCP 連接，用戶的不同請求會被調(diào)度到不同的服務(wù)器上，所以這種細粒度的調(diào)度在一定程度上可以避免了用戶訪問的突發(fā)性引起的負載不均的問題。

LV S系統(tǒng)支持八種調(diào)度策略：輪詢法（RR）、加權(quán)輪詢法(WRR)、最少連接法(LC)、加權(quán)最少連接法(WLC)、基于局部性的最少連接法(LBLC)、帶復(fù)制的基于局部性最少連接法(LBLCR)、目標地址散列法(DH)和源地址散列法(SH) 。

1.2 算法的選用

調(diào)度算法設(shè)計的好壞直接決定了集群在負載均衡上的表現(xiàn)，設(shè)計不好的算法，會導(dǎo)致集群的負載失衡。一般的平衡算法主要任務(wù)是決定如何選擇下一個集群節(jié)點，然后將新的服務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)給它。有些簡單平衡方法可以獨立使用，有些必須和其它簡單或高級方法組合使用。而一個好的負載均衡算法也并不是萬能的，它一般只在某些特殊的應(yīng)用環(huán)境下才能發(fā)揮最大效用。因此在考察負載均衡算法的同時，也要注意算法本身的適用面，并在采取集群部署的時候根據(jù)集群自身的特點進行綜合考慮，把不同的算法和技術(shù)結(jié)合起來使用。

通過研究發(fā)現(xiàn)，以LVS的八種調(diào)度算法為基礎(chǔ)，現(xiàn)在人們也研究出很多種動態(tài)調(diào)度算法，如動態(tài)負反饋[5,6]、基于Agent的調(diào)度算法[7]、最快回應(yīng)最少連接調(diào)度算法[8]等。動態(tài)負載均衡算法就是負載均衡器周期性地從后端服務(wù)器獲取當(dāng)前各節(jié)點真實服務(wù)器的負載狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)來動態(tài)調(diào)整后續(xù)的分配策略，最為關(guān)鍵的步驟是動態(tài)地計算每臺服務(wù)器的當(dāng)前負載權(quán)值。動態(tài)負載調(diào)度算法中，負載均衡器需及時、準確把握節(jié)點服務(wù)器的負載狀況，并根據(jù)各個節(jié)點真實服務(wù)器當(dāng)前的資源使用狀態(tài)動態(tài)調(diào)整負載平衡的任務(wù)分布，這樣才能實現(xiàn)系統(tǒng)高效的負載均衡。因此，使用動態(tài)調(diào)度算法的集群系統(tǒng)，負載均衡器需要安裝收集和計算各節(jié)點服務(wù)器運行時的CPU頻率、CPU個數(shù)、CPU的使用率、內(nèi)存大小、網(wǎng)絡(luò)流量、響應(yīng)速度等狀態(tài)信息的監(jiān)控軟件；各節(jié)點服務(wù)器則需安裝反饋傳遞自身狀態(tài)信息的響應(yīng)軟件。這些軟件需要購買或二次開發(fā)，這會加大投資成本；此外，動態(tài)算法中負載均衡器與各節(jié)點服務(wù)器也需實時交互，這無疑會造成占用系統(tǒng)資源、加大系統(tǒng)內(nèi)耗和增加額外開支等問題。因此當(dāng)前的動態(tài)調(diào)度算法大都存在：如何降低負載信息獲取、交互所占用的系統(tǒng)資源[9]，使系統(tǒng)內(nèi)耗資源降低等一些未能解決的問題，所以目前負載均衡系統(tǒng)中仍較多采用LVS調(diào)度算法。

WLC算法調(diào)度算法也是一種動態(tài)調(diào)度算法。這種算法實時地計算每個節(jié)點的連接數(shù)，并且考慮各真實服務(wù)器性能差異。它即克服了靜態(tài)調(diào)度算法只適用于同構(gòu)服務(wù)器（即各節(jié)點服務(wù)器配置相差不大）集群系統(tǒng)的缺點，也解決了大多動態(tài)調(diào)度算法中負載均衡器和節(jié)點服務(wù)器需安裝額外軟件、頻繁交互額外產(chǎn)生內(nèi)耗等問題。WLC是LVS提供的八種調(diào)度算法之一，是系統(tǒng)默認的調(diào)度算法。

2 WLC算法及其優(yōu)化

2.1 WLC算法

算法基本思想：該算法是最少連接算法的改進，它為每個真實服務(wù)器Si指定一個整數(shù)值Wi標記服務(wù)器的性能（性能較高的服務(wù)器具有較大值）。

算法的實現(xiàn)：當(dāng)負載均衡器分配服務(wù)時，會在支持此服務(wù)的真實服務(wù)器分配鏈表中，從頭部開始尋找連接數(shù)與權(quán)值的比值最小、且權(quán)值不為零（表示服務(wù)器可用）的服務(wù)器，如果找到符合要求的服務(wù)器，則返回此服務(wù)器指針，否則返回空指針。算法流程如下：

假設(shè)有一組服務(wù)器S = {S0, S1, ..., Sn-1}，W(Si)表示服務(wù)器Si的權(quán)值，C(Si)表示服務(wù)器Si的當(dāng)前連接數(shù)。所有服務(wù)器當(dāng)前連接數(shù)的總和為CSUM = ΣC(Si) (i=0, 1, .. , n-1)。當(dāng)前的新連接請求會被發(fā)送服務(wù)器Sm，當(dāng)且僅當(dāng)服務(wù)器Sm滿足以下條件 (C(Sm) / CSUM)/ W(Sm) = min { (C(Si)/ CSUM) / W(Si)} (i=0, 1, . , n-1)，其中W(Si)不為零，因為CSUM在這一輪查找中是個常數(shù)，所以判斷條件可以簡化為：

C(Sm) / W(Sm) = min { C(Si) / W(Si)} (i=0, 1, ., n-1) 其中W(Si)不為零

因為除法所需的CPU周期比乘法多，且在Linux內(nèi)核中不允許浮點除法，服務(wù)器的權(quán)值都大于零，所以判斷條件C(Sm) / W(Sm) ＞ C(Si) / W(Si)可以進一步表示為C(Sm)*W(Si) ＞ C(Si)* W(Sm)。同時保證服務(wù)器的權(quán)值為零時，服務(wù)器不被調(diào)度。所以，算法只要執(zhí)行以下流程：

算法的評價：算法既考慮了集群中各真實服務(wù)器的處理性能的不同，又考慮了各個真實服務(wù)器的狀態(tài)，可以實現(xiàn)真正意義上的負載均衡。雖然算法復(fù)雜度稍微大些，但是它提高了系統(tǒng)的效率，這種效率的提高不僅抵消了算法所帶來的開銷，而且大大地改善了系統(tǒng)地性能。WLC 是LVS的缺省負載分配算法，在通常的應(yīng)用中一般都采用此算法。加權(quán)最小連接算法既考慮了各個真實服務(wù)器當(dāng)前的連接狀態(tài)，又考慮了各個真實服務(wù)器的處理能力因素，因而是LVS集群系統(tǒng)任務(wù)分配算法中最優(yōu)的。

2.2 WLC調(diào)度算法當(dāng)前存在的問題

WLC調(diào)度算法雖被廣泛采用，這種算法也存在如下問題：1）權(quán)值估算的合理、科學(xué)性。WLC算法中用到的權(quán)值是管理員根據(jù)每臺服務(wù)器的性能及負載狀況為每臺服務(wù)器指定一個整數(shù)值。擁有比較高的權(quán)值的真實服務(wù)器在任何時候其上活動的連接數(shù)都占有比較高的百分比，權(quán)值直接影響系統(tǒng)中各節(jié)點能否“均衡”，因此使用科學(xué)、合理的方法計算權(quán)值，對異構(gòu)負載均衡系統(tǒng)至關(guān)重要。傳統(tǒng)采用WLC算法的LVS負載均衡系統(tǒng)，其中的權(quán)值大都是管理員根據(jù)節(jié)點服務(wù)器硬件配置估算的，這種估算方法的科學(xué)性顯然有不科學(xué)的地方，本文將介紹一種節(jié)點服務(wù)器權(quán)值優(yōu)化的方法。2）權(quán)值配置需要管理員手工配置，不能在系統(tǒng)運行過程中自動動態(tài)完成。以及無法估算出每臺節(jié)點服服器的動態(tài)權(quán)值等問題。這些是負載均衡器和節(jié)點服務(wù)器不需額外安裝監(jiān)控和反饋軟件所帶來的負面問題，并不是算法本身存在的本質(zhì)問題，所以不在本文討論范圍之內(nèi)，本文要討論的是如何得到更反映服務(wù)器實際性能的權(quán)值問題，即權(quán)值計算方法的優(yōu)化。

2.3 WLC算法優(yōu)化

加權(quán)最少連接調(diào)度算法（WLC）是最少連接優(yōu)先算法的超集。這種算法需為集群中的每個節(jié)點分配一個反映該節(jié)點處理能力的權(quán)重。任何時候，權(quán)重大的節(jié)點都應(yīng)該得到份額較大的連接。服務(wù)器權(quán)值又稱砝碼是反映服務(wù)器處理能力的指標，它通常受帶寬、緩沖區(qū)I/O、CPU調(diào)度周期、需要處理的數(shù)據(jù)量、啟動的線程數(shù)、磁盤訪問時間等多種因素綜合影響[10]。

在WLC算法中，判斷條件語句是C（Sm）*W(Si)＞C(Si)*W(Sm)，i=0，1，2，……，n-1，W(Si)不為零,Si表示上次分配的服務(wù)器，Sm表示下一次將要分配的服務(wù)器，C（Si）和C（Sm），W（Si）W（Sm）分別表示服務(wù)器Si和Sm的當(dāng)前連接數(shù)和權(quán)值。

服務(wù)器連接數(shù)是負載均衡器根據(jù)各節(jié)點服務(wù)器當(dāng)前連接狀態(tài)，由系統(tǒng)動態(tài)自動獲得；權(quán)值是反映服務(wù)器性能高低的一個整數(shù)值，它以倍數(shù)形式反映服務(wù)器能力的差別，如權(quán)值為200的節(jié)點比100的服務(wù)器性能高2倍。因此WLC算法優(yōu)化主要是對各節(jié)點服務(wù)器權(quán)值的優(yōu)化。

任何工具或人都無法計算出動態(tài)運行機器的實際性能（即WLC算法中的權(quán)值），因此只能盡量使計算的權(quán)值科學(xué)、合理。服務(wù)器性能除受本身組成硬件CPU、內(nèi)存、主板、硬盤等綜合作用的影響外，還受服務(wù)器軟件和網(wǎng)絡(luò)連接等因素影響，因此由管理員僅根據(jù)硬件配置估算出來的權(quán)值，明顯存在不妥之處。科學(xué)合理的權(quán)值計算方法，應(yīng)綜合硬件因素協(xié)作結(jié)果的整機效能和作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的服務(wù)性能指標（如響應(yīng)時間，吞吐量等）等多種因素。

使用WLC調(diào)度算法的負載均衡系統(tǒng)，管理員給各個節(jié)點服務(wù)器配置的整數(shù)值（即權(quán)值），是以倍數(shù)形式反映各節(jié)點服務(wù)器間性能差異，因此只要得出各節(jié)點服務(wù)器性能比值，即可以配置WLC調(diào)度算法的各節(jié)點服務(wù)器的權(quán)值數(shù)。例如有三臺服務(wù)器分別用A，B，C，若三者的性能比例為1：2：3，則A，B，C的權(quán)值可分別配置為100，200，300。由此可推，計算各節(jié)點服務(wù)器權(quán)值可轉(zhuǎn)化為計算各節(jié)點服務(wù)器性能比值，然后再調(diào)整為適當(dāng)?shù)恼麛?shù)值即可。

假如有兩臺服務(wù)器分別用A和B表示，它們的權(quán)值用WA和WB表示，則可用公式：WA/WB=(MA/MB+NA/NB)/2求得機器A和B性能之比，其中MA，MB表示機器A和B的整機系統(tǒng)性能，NA，NB分別表示機器A和B的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能。無論是機器的整體性能，還是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)性能都應(yīng)根據(jù)問題的復(fù)雜程度選用多個或單個指標測試得到。為簡化計算過程，在選用各指標時要盡量統(tǒng)一選取為正向指標，即所選指標與性能成正比。若遇到特殊情況不得不選用某逆向指標時，則要將此項的比值取倒數(shù)后再代入公式計算。公式可以反映出節(jié)點服務(wù)器性能即權(quán)值，是由整機性能和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)性能兩個指標來共同決定的。

3 實驗測試

3.1 測試工具

3.1.1 服務(wù)器整機性能測試工具

服務(wù)器的整機性能指標是衡量系統(tǒng)是否先進的一個重要參數(shù)，在測試中一般以速度作為衡量標準。如CPU的工作頻率、內(nèi)存的數(shù)據(jù)存取時間、各種總線的數(shù)據(jù)傳輸帶寬等[11]。為準確衡量服務(wù)器整機的性能高底，單從表面的硬件配置上是無法準確和精確弄清楚的，應(yīng)選用專業(yè)硬件測試軟件來實現(xiàn)計算機性能測試。針對安裝操作系統(tǒng)的不同，可選用相對應(yīng)的測試軟件，如基于DOS系統(tǒng)的性能測試軟件Norton Utility等，基于Linux環(huán)境的I/O測試工具iozone和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)性能測試工具Netperf。基于Windows系統(tǒng)的性能測試軟件Iometer、Lavalys Everest、SiSoft Sandra Pro、WintuneWinsstem、Business Winstone、WinBench 2004和PCMark 2004等[12]。因本文設(shè)計的系統(tǒng)中節(jié)點服務(wù)器是安裝的Windows系統(tǒng)，因而只介紹Windows系統(tǒng)的性能測試軟件的使用方法，對于基于其他操作系統(tǒng)的性能測試軟件，用戶可自己查閱相關(guān)資料。

根據(jù)測試目的的不同，有不同的性能測試軟件，如Everest可鑒別CPU的真假、查詢內(nèi)存詳細情況、硬盤轉(zhuǎn)速容量等狀況，也可以檢測顯卡、聲卡、機器整機性能等指標；SiSoft Sandra Pro則側(cè)重于系統(tǒng)分析與評測；WinBench 2004主要測試系統(tǒng)整體性能；Business Winstone 2004則是一種非常專業(yè)、嚴格的整機性能測試軟件；PCMark 2004是一款綜合性能測試軟件。

本文選用FutureMark公司的一款硬件測試工具PCMark04，取測試結(jié)果中的PCMark Score作為計算公式中的整機性能指標。

3.1.2 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)性能測試工具

常用的基本網(wǎng)絡(luò)服務(wù)包括DNS服務(wù)、郵件服務(wù)、WWW服務(wù)、FTP服務(wù)、DHCP服務(wù)、流媒體服務(wù)等等[13]。針對不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，測試指標和測試工具均有不同，如可用Avalanche 2200工具測試郵件服務(wù)器的瞬間提供SMTP服務(wù)的能力——最大并發(fā)數(shù)、成功發(fā)送郵件百分比、平均往返延遲等指標以反映服務(wù)器性能[14]； Spirent公司的Smartbits 600B工具可測試流媒體服務(wù)器性能，WebMark工具測試Web服務(wù)器性能，Mercury（美科利）Interactive公司的LoadRunner工具則可適用于各種體系架構(gòu)，可以支持很多協(xié)議和技術(shù)如Web、Ftp、Database[15]，在客戶端使用WebServer stress Tool工具測試用戶訪問服務(wù)器一定大小的網(wǎng)頁時所用的時間(Time Spent)或者網(wǎng)絡(luò)流量(Traffic)，Avalanche 2500 Web工具測試服務(wù)器的最大新建用戶數(shù)、總響應(yīng)數(shù)和成功響應(yīng)數(shù)，RadView公司的webload工具可以測試服務(wù)器的吞吐量、每秒處理事務(wù)數(shù)等指標，微軟公司提供的免費Web Application Stress（簡稱WAS）工具能夠測試Web Server的吞吐率、請求響應(yīng)時間等指標。

為保證測試數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準確性，一般情況下，應(yīng)采用兩種或兩種以上的測試軟件對服務(wù)器性能的不同指標進行測試，如選用Web server stress tool工具測試服務(wù)器的time spent，選用WAS測試服務(wù)器的請求響應(yīng)時間、吞吐率等指標，并且最好采用多次測試取平均值的方法計算各服務(wù)器的相應(yīng)指標。

本文所設(shè)計系統(tǒng)的實驗環(huán)節(jié)，選用微軟公司提供的免費測試工具WAS。用它來測試每臺服務(wù)器的請求響應(yīng)時間（TTLB）和吞吐率（Requests per second），分別用A，B標識各臺服務(wù)器，用同一臺安裝WAS工具的客戶機，并在WAS測試環(huán)境中設(shè)置相同的測試條件如相同的用戶數(shù)、用戶并發(fā)數(shù)和測試時間等參數(shù)，使用相同的測試腳本。

3.2 實驗結(jié)果與分析

3.2.1 服務(wù)器整機性能測試結(jié)果

測試運行結(jié)束后，PCMark04出現(xiàn)的測試結(jié)果如圖1所示.

圖1 PCMark04出現(xiàn)的測試結(jié)果

其中PCMark Score的計算公式是：

PCMark Score = 66 × (File Compression ×File Encryption × File Decompression × Image Processing × File Decryption × Virus Scanning ×Grammar Check × Audio Conversion × Web Page Rendering × WMV Video Compression × DivX Video Compression × Physics and 3D × Graphics Memory)1/13

公式中的66是將最后成績進行一定倍數(shù)的擴大，以使測試結(jié)果有一定的有效位數(shù)和容易記憶，公式最后的 1/13 次方則代表對前面的乘積進行13次方開根號。

圖1中的PCMark Score的數(shù)值，即是所測機器的整機性能指標。為使測試數(shù)據(jù)具有可比性，所有真實服務(wù)器應(yīng)設(shè)置相同的測試環(huán)境：格式化一樣的分區(qū)、安裝相同的操作系統(tǒng)和版本、安裝相同的軟件環(huán)境。測試每臺機器時均采用測試五次、每次機器重啟，最后將五次結(jié)果計算平均值。實驗中測得兩臺機器A和B的PCmark Score指標分別為2586和4215

3.2.2 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)性能測試結(jié)果

分別測試機器A和B，實驗所得數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 機器A，B實驗測得數(shù)據(jù)

Requests per second即吞吐率，表示W(wǎng)eb Server每秒處理客戶請求數(shù)，為正向指標，即此值越大表示性能越高[16]。TTLB Avg即平均請求響應(yīng)時間，表示從發(fā)起一個請求開始，到客戶端收到最后一個字節(jié)所耗費的時間[17]，此指標為逆向指標，即值越小表示服務(wù)器性能越好。

3.2.3 實驗分析

將機器A和B測試數(shù)據(jù)，利用權(quán)值改進方法計算出A和B性能比值，再以此比值為基礎(chǔ)調(diào)整成合適的權(quán)值。將實驗中所測指標代入上文公式，得：

MA/MB=4215/2586≈1.63，

NA/NB=（44.31/15.24+3260.06/1125.33）/2≈1.62，（此公式中有逆向指標TTLB Avg，機器A的值是1125.33，B的值是3260.06，計算時用比值的倒數(shù)即3260.06/1125.33）

WA/WB=(1.63+1.62)/2≈1.6。

為在實際負載均衡系統(tǒng)中，更能明顯表示服務(wù)器性能變化，將A和B的權(quán)值分別用160和100表示。將實驗沒得數(shù)據(jù)配置在實際的負載均衡系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能實現(xiàn)很好均衡，權(quán)值大的即性能較高的服務(wù)器分配了較多的負載，而值小的則分配的負載較少。

4 結(jié)論

本文提出一種通過分別測試各節(jié)點服務(wù)器的整機性能和網(wǎng)絡(luò)性能，再按數(shù)學(xué)方法求得各節(jié)點的比值，最后再調(diào)整為合適的數(shù)值，作為服務(wù)器的權(quán)值配置到實際應(yīng)用的LVS均衡系統(tǒng)中，配置到LVS負載均衡系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明采用這種方法將會使系統(tǒng)中各節(jié)點服務(wù)器更好實現(xiàn)均衡。

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