胡秀建，王浩，廉祥麗，陳偉

（1.宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)信息系，安徽宿州 234011；2.阜陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽阜陽(yáng) 236037）

Linux集群下的校園網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡方案

胡秀建1，王浩2，廉祥麗1，陳偉1

（1.宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)信息系，安徽宿州 234011；2.阜陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽阜陽(yáng) 236037）

為了解決大量的校園網(wǎng)絡(luò)服務(wù)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)擁擠問(wèn)題，提出了基于Linux集群的校園網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡方案.它采用地址轉(zhuǎn)換和IP隧道兩種方式，將計(jì)算機(jī)集群虛擬化為一個(gè)虛擬服務(wù)器，從而在IP層上實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡調(diào)度.該方案能夠充分發(fā)揮校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率，提高校園網(wǎng)絡(luò)的整體性能，減少資金的投入和降低維護(hù)成本.

負(fù)載均衡；網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換；IP隧道；虛擬服務(wù)器

隨著高校信息化水平的不斷提高，高校校園網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和服務(wù)功能也在不斷擴(kuò)展，新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)也不斷更新和投入使用[1].校園網(wǎng)絡(luò)要承擔(dān)教學(xué)管理、科學(xué)研究、遠(yuǎn)程教育、Web服務(wù)等諸多任務(wù).網(wǎng)絡(luò)中心作為校園網(wǎng)絡(luò)的核心機(jī)構(gòu)，還要承擔(dān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息發(fā)布、流量監(jiān)控、用戶管理、負(fù)載均衡、信息安全、病毒防治等一系列網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù).總體來(lái)說(shuō)，校園網(wǎng)絡(luò)用戶群體龐大、資源利用率高、管理難度大.并且由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的擴(kuò)展帶來(lái)的流量監(jiān)控和負(fù)載均衡問(wèn)題日益突出，占用了大量的人力和物力，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本居高不下.本文提出的基于Linux集群技術(shù)設(shè)計(jì)的校園網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡方案可以有效地解決這一問(wèn)題.

1 負(fù)載均衡

假如學(xué)校網(wǎng)絡(luò)有N臺(tái)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同一時(shí)間的訪問(wèn)請(qǐng)求個(gè)數(shù)為M（一般情況下M遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N），這就要求網(wǎng)絡(luò)中部署一個(gè)設(shè)備或軟體，它負(fù)責(zé)將M個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求調(diào)度到N個(gè)不同服務(wù)器上去，這就是負(fù)載均衡器的作用[2].負(fù)載均衡器是服務(wù)器集群的唯一入口，它可以是一個(gè)獨(dú)立的硬件實(shí)體，也可以是一個(gè)安裝在代理服務(wù)器內(nèi)的軟體.在校園網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)集群是通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備將統(tǒng)一的一個(gè)公有IP地址映射到整個(gè)集群中的多個(gè)IP地址主機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)單一客戶端對(duì)整個(gè)集群的訪問(wèn).公有的虛擬IP地址相當(dāng)于一個(gè)虛擬服務(wù)器，和集群內(nèi)主機(jī)IP地址的關(guān)系是一對(duì)多的映射關(guān)系，這種映射關(guān)系可以有效解決校園網(wǎng)絡(luò)IP地址短缺問(wèn)題.在工作過(guò)程當(dāng)中，若負(fù)載均衡器出現(xiàn)故障，則很可能造成整個(gè)集群負(fù)載失效[3].因此，在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以部署多個(gè)均衡器，用以提供必要的負(fù)載均衡容錯(cuò)機(jī)制，對(duì)負(fù)載均衡器進(jìn)行備份并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，可以在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡設(shè)備出現(xiàn)故障情況下進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，利用備份負(fù)載均衡設(shè)備替換故障設(shè)備，并對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行報(bào)警、檢查、恢復(fù)等操作，使其恢復(fù)正常工作.

1.1 Linux中負(fù)載均衡模型

上述所提到的負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)方法是基于IP協(xié)議層實(shí)現(xiàn)的負(fù)載均衡技術(shù)，它將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的接入請(qǐng)求劃分成一個(gè)個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，通過(guò)負(fù)載均衡器將它們分別調(diào)度到服務(wù)器集群中的單一主機(jī)上，由整個(gè)集群的主機(jī)來(lái)分擔(dān)任務(wù)，以最大限度地發(fā)揮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能.實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的關(guān)鍵技術(shù)在于IP層的負(fù)載分配，該技術(shù)具有良好的兼容性、高效的執(zhí)行效率、簡(jiǎn)單的體系結(jié)構(gòu)等特點(diǎn).

在Linux系統(tǒng)中，這種基于IP層交換的負(fù)載均衡技術(shù)具備良好的可擴(kuò)展性、易管理性，可以大幅提高整個(gè)集群系統(tǒng)的性能，從而實(shí)現(xiàn)以負(fù)載均衡為核心的Linux集群系統(tǒng)[4].該系統(tǒng)可通過(guò)三種不同負(fù)載均衡模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別是：地址轉(zhuǎn)換（NAT）模型、IP隧道模型和直接路由（DR）模型[5].本文重點(diǎn)對(duì)前兩種模型進(jìn)行分析和研究.

在地址轉(zhuǎn)換（NAT）模型中，集群內(nèi)部的IP地址與外部網(wǎng)絡(luò)隔開，服務(wù)器內(nèi)部結(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)IP地址池，每個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求和應(yīng)答都通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備，負(fù)載均衡設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理然后和客戶端進(jìn)行通信.

在IP隧道模型中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是個(gè)開放的體系結(jié)構(gòu)，集群系統(tǒng)中的每個(gè)主機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)上都有一個(gè)合法的IP地址，客戶端和服務(wù)器端的通信通過(guò)路由應(yīng)答方式來(lái)實(shí)現(xiàn).其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為，客戶端向虛擬IP地址主機(jī)（負(fù)載均衡器）發(fā)送通信請(qǐng)求，虛擬IP主機(jī)（負(fù)載均衡器）通過(guò)IP隧道對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝并選定目的主機(jī)結(jié)點(diǎn)作為新的IP主機(jī)地址，然后發(fā)送到對(duì)應(yīng)IP主機(jī)結(jié)點(diǎn)上；對(duì)應(yīng)IP主機(jī)結(jié)點(diǎn)接收虛擬IP地址主機(jī)（負(fù)載均衡器）發(fā)送的IP隧道數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)包解包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)源客戶端的IP地址將應(yīng)答數(shù)據(jù)包直接反饋給源客戶端，但此時(shí)應(yīng)答數(shù)據(jù)包的源地址為虛擬IP地址，即負(fù)載均衡器的IP地址.

在直接路由（DR）模型中，整個(gè)集群內(nèi)的主機(jī)和負(fù)載均衡器都有共同的虛擬IP地址，但負(fù)載均衡器和每個(gè)主機(jī)都不解析虛擬IP的RAP地址，只接收符合自己MAC地址的數(shù)據(jù)包.客戶端向負(fù)載均衡器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，負(fù)載均衡器根據(jù)當(dāng)前集群工作狀態(tài)選擇集群內(nèi)部主機(jī)結(jié)點(diǎn)并重寫數(shù)據(jù)包的MAC地址，然后將數(shù)據(jù)包廣播到所屬網(wǎng)段內(nèi)[6].當(dāng)對(duì)應(yīng)的主機(jī)收到負(fù)載均衡器廣播的數(shù)據(jù)包后，便會(huì)直接和客戶端進(jìn)行通信，并將處理后的數(shù)據(jù)反饋給客戶端.總的來(lái)說(shuō)，客戶端始終和有著同一虛擬IP地址的負(fù)載均衡服務(wù)器集群進(jìn)行通信.

1.2 三種負(fù)載均衡模型的比較

根據(jù)以上對(duì)三種模型的介紹，從連接通信方式、數(shù)據(jù)包處理等方面對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)果見表1.

2 基于IP層負(fù)載均衡調(diào)度的解決方法

2.1 負(fù)載均衡調(diào)度在硬件中的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)以上三種模型的對(duì)比可知，不論采用哪一種負(fù)載均衡模型，其工作的基本原理是一致的，即客戶端訪問(wèn)負(fù)載均衡設(shè)備，負(fù)載均衡設(shè)備接收到訪問(wèn)請(qǐng)求后對(duì)它進(jìn)行封包轉(zhuǎn)發(fā)，然后從一組服務(wù)器集群中選擇一個(gè)主機(jī)，將請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送給它，集群內(nèi)主機(jī)接收到請(qǐng)求數(shù)據(jù)包后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，然后將響應(yīng)數(shù)據(jù)包反饋給負(fù)載均衡設(shè)備或者直接反饋給客戶端.目前，很多企業(yè)在設(shè)計(jì)自己的負(fù)載均衡設(shè)備時(shí)，都采用地址轉(zhuǎn)換方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如Berkeley的Magic Router、Cisco的Local Director、Alteon的ACE Director和F5的Big/IP等都是使用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換方法[7].

表1 三種負(fù)載均衡模型對(duì)照分析

2.2 NAT實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器（VS/NAT）集群負(fù)載均衡

在Internet迅猛發(fā)展的今天，IPV4地址已經(jīng)接近枯竭，為了節(jié)約IPV4地址，網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行NAT轉(zhuǎn)換時(shí)可以使用專門為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)保留的IP地址，比如10.0.0.0/255.0.0.0、192.168.0.0/255.255.0.0等.通過(guò)NAT將不同IP地址的主機(jī)變成一個(gè)虛擬服務(wù)器集群（VS），其示意圖如圖1所示.在圖1中，VS由一個(gè)負(fù)載均衡設(shè)備、一個(gè)交換機(jī)、若干服務(wù)器主機(jī)組成.當(dāng)客戶端通過(guò)Internet對(duì)VS進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，負(fù)載均衡設(shè)備負(fù)責(zé)將請(qǐng)求數(shù)據(jù)包調(diào)度給相應(yīng)主機(jī)，不管請(qǐng)求數(shù)據(jù)包被調(diào)度到哪臺(tái)主機(jī)上，其反饋的結(jié)果沒有任何不同.

在圖1中，負(fù)載均衡設(shè)備接收到請(qǐng)求數(shù)據(jù)包后并對(duì)它進(jìn)行封包，然后采用一定的算法將數(shù)據(jù)包調(diào)度到相應(yīng)主機(jī)上.目前常用的調(diào)度算法是動(dòng)態(tài)反饋負(fù)載均衡調(diào)度算法[8]，該算法將影響負(fù)載均衡的幾個(gè)主要元素采用權(quán)值計(jì)算方式納入到調(diào)度決策過(guò)程中，有效地解決負(fù)載調(diào)度的效率問(wèn)題.

2.3 VS/NAT實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明VS/NAT工作過(guò)程，在這里設(shè)計(jì)一個(gè)案例并對(duì)之進(jìn)行分析.具體的VS/NAT的配置如圖2所示.設(shè)定VIP（虛擬IP）地址為10.3.1.5，80端口的數(shù)據(jù)請(qǐng)求都被調(diào)度到集群內(nèi)主機(jī)173.1.0.1：80和173.1.0.1：8000上（web服務(wù)）；21端口的數(shù)據(jù)請(qǐng)求被調(diào)度到集群內(nèi)主機(jī)173.1.0.1：21上（ftp服務(wù)），如表2所示.

根據(jù)上面的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包負(fù)載調(diào)度對(duì)照表，下面我們?cè)敿?xì)分析具體的客戶端請(qǐng)求數(shù)據(jù)包改寫流程.

設(shè)定訪問(wèn)Web服務(wù)器的客戶端請(qǐng)求為：

源地址：102.1.1.2：3688，目的地址：10.3.1.5：80；

當(dāng)負(fù)載均衡器接收到數(shù)據(jù)包請(qǐng)求后，便通過(guò)調(diào)度程序按相應(yīng)從集群系統(tǒng)中選擇一臺(tái)主機(jī)，假如選擇173.1.0.2：80.這時(shí)候數(shù)據(jù)包被封包，并將地址改寫，然后發(fā)送到173.1.0.2：80.地址改寫如下：

源地址：102.1.1.2：3688，目的地址：173.1.0.2：80；

主機(jī)173.1.0.2接收到數(shù)據(jù)包以后，首先將數(shù)據(jù)包解包，處理后反饋?lái)憫?yīng)數(shù)據(jù)包給負(fù)載均衡設(shè)備，地址變換為：源地址：173.1.0.2：80，目的地址：102.1.1.2：3688；

負(fù)載均衡設(shè)備接收到反饋數(shù)據(jù)包后，對(duì)源地址進(jìn)行改寫，將源地址改寫成虛擬IP地址，地址變換為：源地址：10.3.1.5：80，目的地址：102.1.1.2：3688；

客戶端接收到的數(shù)據(jù)包的源地址便是虛擬IP地址10.3.1.5：80，而不是集群內(nèi)主機(jī)173.1.0.2：80地址.這個(gè)地址轉(zhuǎn)換過(guò)程是雙工轉(zhuǎn)換，整個(gè)過(guò)程完成了對(duì)集群內(nèi)主機(jī)IP的屏蔽.不論集群內(nèi)是哪一臺(tái)主機(jī)響應(yīng)了外部客戶端的請(qǐng)求，其結(jié)果都是一樣的.

圖1 VS/NAT的體系結(jié)構(gòu)

表2 VS/NAT集群負(fù)載均衡調(diào)度對(duì)照表

3 通過(guò)IP隧道實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器（VS/ TUN）集群負(fù)載均衡

采用NAT實(shí)現(xiàn)VS集群系統(tǒng)只適合請(qǐng)求和響應(yīng)的數(shù)據(jù)包較小的情況，而當(dāng)集群內(nèi)服務(wù)器數(shù)目較多、請(qǐng)求和響應(yīng)數(shù)據(jù)包較大的時(shí)候采用VS/NAT模式就會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，并使之成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸.若能將請(qǐng)求數(shù)據(jù)包和響應(yīng)數(shù)據(jù)包分開處理，采用單工方式對(duì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包進(jìn)行封包，將響應(yīng)數(shù)據(jù)包直接反饋給客戶端[9]，這樣就可以大大提高整個(gè)集群系統(tǒng)性能，IP隧道（TUN）模式就是基于單工機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器集群負(fù)載均衡的.

3.1 IP TUN工作原理

首先，在服務(wù)器集群中建立IP隧道.在IP TUN體系結(jié)構(gòu)（如圖3所示）中，有一個(gè)統(tǒng)一的VIP（虛擬IP）地址，服務(wù)器集群中每個(gè)主機(jī)都將VIP地址配置到自己的IP隧道設(shè)備上[10].

其次，所有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)全部虛擬到VIP服務(wù)器上以供外部網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn).

數(shù)據(jù)包處理工作過(guò)程為，客戶端發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求到VIP服務(wù)器上，VIP服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包進(jìn)行IP封包后通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備對(duì)集群內(nèi)主機(jī)進(jìn)行選擇，集群內(nèi)主機(jī)接收到請(qǐng)求數(shù)據(jù)包后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理并直接將處理結(jié)果反饋給客戶端.

3.2 IPTUN封包和數(shù)據(jù)包反饋過(guò)程

如圖3所示，在IP TUN工作過(guò)程中，客戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送到統(tǒng)一的虛擬IP地址服務(wù)器上，要將數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，然后通過(guò)隧道發(fā)送到相應(yīng)主機(jī)上，最后通過(guò)主機(jī)直接反饋給客戶端，假定外網(wǎng)客戶端IP地址為102.1.1.2，其過(guò)程如圖4所示.

這里需要注意的是，經(jīng)過(guò)實(shí)際服務(wù)器處理后的IP packet中，實(shí)際反饋給客戶端的數(shù)據(jù)包的源地址是VIP.

圖2 VS/NAT的例子

圖3 VS/TUN的體系結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

隨著人們對(duì)Linux服務(wù)器依賴的加深，對(duì)其可靠性、負(fù)載能力和計(jì)算能力也倍加關(guān)注，Linux集群技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.本文提出了基于Linux系統(tǒng)的校園網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡方案，重點(diǎn)討論了基于IP層負(fù)載均衡調(diào)度的解決方法，提出了VS/NAT和VS/TUN實(shí)現(xiàn)模型，并對(duì)VS/NAT模型進(jìn)行例證分析，證明了其應(yīng)用的可靠性.

圖4 IP TUN封包和數(shù)據(jù)包反饋過(guò)程

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The Balancing Scheme for Campus Network Load Based on Linux Cluster

HU Xiu-jian1,WANG Hao2,LIAN Xiang-li1,CHEN Wei1
(1.Department of Computer and Information,Suzhou Vocational and Technological College,Suzhou 234011,China; 2.School of Computer and Information,Fuyang Teachers College,Fuyang 36037,China)

In order to solve the problem of campus network congestion,this paper puts forward a balancing scheme for campus network load based on Linux cluster,in which address translation and IP tunnel are used.. The two ways can make the computer cluster into a virtualization server so as to realize load balance scheduling in terms of IP layer.This scheme can give full play to the campus network equipment utilization,reduce the unit capital investment and maintenance costs,and thus improve the overall performance of the campus network.

load balancing;network address translation;IP tunnel;virtual server

TP393.1

A

1008-2794（2012）08-0109-05

2012-04-16

安徽省教育廳優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目“基于自適應(yīng)算法的校園網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載均衡研究與應(yīng)用”（2012SQRL263）

胡秀建（1979—），男，安徽宿州人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理、信息安全等.