駱劍鋒, 陳俞強(qiáng)

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系, 廣東 東莞 523808)

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采用環(huán)加星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)負(fù)載均衡集群技術(shù)的云平臺(tái)設(shè)計(jì)

駱劍鋒, 陳俞強(qiáng)

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系, 廣東 東莞 523808)

摘要：設(shè)計(jì)運(yùn)用獨(dú)特的負(fù)載均衡集群技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)兼顧性能可靠、運(yùn)行安全和成本節(jié)約的云平臺(tái).使用環(huán)型網(wǎng)與星型網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并施以組合形式多樣化的計(jì)算技術(shù)，解決傳統(tǒng)云平臺(tái)技術(shù)的諸多問題.可靠性測試顯示：負(fù)載越高時(shí)，設(shè)計(jì)的云平臺(tái)性能越好，而且具有長期穩(wěn)定的技術(shù)特性.

關(guān)鍵詞：云平臺(tái)技術(shù)； 負(fù)載均衡集群技術(shù)； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 分布式計(jì)算; 流水線計(jì)算

云平臺(tái)面對(duì)大量的計(jì)算，必須能適應(yīng)計(jì)算量的增加[1].對(duì)于不斷增加的計(jì)算量，更換服務(wù)器需要較高的成本，改進(jìn)舊的服務(wù)器是一種較經(jīng)濟(jì)的選擇.從長遠(yuǎn)看，云平臺(tái)使用負(fù)載均衡集群技術(shù)，可用多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行分布式計(jì)算，從而提高性能.現(xiàn)在常用的服務(wù)器集群方式是多層層次結(jié)構(gòu)，只適用于分布式計(jì)算，且存在瓶頸與網(wǎng)絡(luò)線路低可靠性等問題[2].因此，本文運(yùn)用獨(dú)特的負(fù)載均衡集群技術(shù)，構(gòu)建云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫與Web服務(wù)器，使計(jì)算的壓力充分分到不同的計(jì)算機(jī)上，降低了局部計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn).

圖1　云平臺(tái)的結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of cloud platform

1云平臺(tái)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

云平臺(tái)的結(jié)構(gòu),如圖1所示.由圖1可知：分工明確的服務(wù)器集群里有提供Web服務(wù)、數(shù)據(jù)庫和注冊(cè)服務(wù)的集群等.

云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖2所示.圖2(a)中：四角分別有4個(gè)小圓，它們是提供Web服務(wù)的集群，用戶使用特定的IE訪問它們，它們提供相同服務(wù)，特定IE會(huì)根據(jù)Web服務(wù)器的性能，決定訪問哪一個(gè)集群；數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)6組成一個(gè)環(huán)型網(wǎng)，是常用數(shù)據(jù)庫集群；數(shù)據(jù)A～數(shù)據(jù)D也是環(huán)網(wǎng)，是存儲(chǔ)長期和重要的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫集群.圖2(b)中：注冊(cè)主頁中轉(zhuǎn)服務(wù)器會(huì)根據(jù)上一層服務(wù)器的性能決定用戶在哪個(gè)服務(wù)器中注冊(cè)及生成特定IE，發(fā)送特定IE軟件到用戶E-mail中，用戶再從E-mail中下載并使用其訪問Web服務(wù)器集群.

(a) 主要功能區(qū) (b) 注冊(cè)與下載區(qū)域圖2　云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2　Network topology of cloud platform

2云平臺(tái)功能區(qū)和數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器集群

數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖3所示.圖3中:3個(gè)環(huán)的作用是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某處出現(xiàn)故障時(shí)，使其能正常通訊；數(shù)據(jù)庫分3層，第三層(內(nèi)環(huán)N1～N3)是重要及長期保存的數(shù)據(jù)庫，作備份用，第二層(中環(huán)Z1～Z4)是第一層數(shù)據(jù)庫的熱備份，一旦第一層(外環(huán)W1[3]～W3)數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)故障，馬上切換.外環(huán)有多個(gè)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)用戶ID進(jìn)行映射，決定被哪個(gè)Web服務(wù)器訪問.

除了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，服務(wù)器間集群方式也很重要.數(shù)據(jù)庫的水平與垂直分割的集群示意圖,如圖4所示.圖4中：按照數(shù)據(jù)庫提供的信息分類進(jìn)行分割，不同的服務(wù)訪問對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)備,把負(fù)荷分散,提高性能(FG1)；用戶的查詢比操作活動(dòng)多，因此，查詢與操作分開設(shè)備進(jìn)行，性能再次提升(FG2).此外，也注重?cái)?shù)據(jù)庫內(nèi)的設(shè)計(jì)，如表的垂直與水平分割[4].

圖3　數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 圖4　水平與垂直分割　　　Fig.3　Network topology of database Fig.4　Horizontal and vertical segmentation

1) 表的水平分割.在設(shè)計(jì)表時(shí)，某些表的數(shù)據(jù)可能很多，使表變得很長，不利于查找[5]，因此，把它變成多個(gè)表存放.在查找數(shù)據(jù)時(shí)，用哈希查找方法定位，就會(huì)快很多.2) 表的垂直分割.在設(shè)計(jì)表時(shí)，表中常被查找的字段與不常被查找的字段分開，分別成一個(gè)表.

除了數(shù)據(jù)中心外，設(shè)計(jì)的平臺(tái)還要通過Web服務(wù)器對(duì)外提供服務(wù)，進(jìn)行多環(huán)加星式的服務(wù)器集群.其中，環(huán)的集群有利于流水線計(jì)算，而星型的集群則方便分布式計(jì)算，具體選擇要看Web服務(wù)器提供什么服務(wù).此集群方式的示意圖，如圖5所示.圖5是一個(gè)環(huán)加星的Web服務(wù)器集群，如果要面對(duì)巨大的計(jì)算或應(yīng)付眾多用戶頻繁的訪問，必須選擇多個(gè)環(huán)加星集群再結(jié)合特定IE的集群方式，如圖6所示.

圖5　Web服務(wù)器的集群方式圖 圖6　多環(huán)加星結(jié)合特定IE的集群　　　　Fig.5　Ways of the cluster Web server Fig.6　Cluster of multiring and star network special IE

特定IE不只有瀏覽功能，它應(yīng)該還有其他的功能，如圖7所示.IE的實(shí)現(xiàn)并不難，在許多編程環(huán)境中都提供有控件(Web Browser)和對(duì)象(Document)[6].用戶使用IE需要進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)后下載本平臺(tái)IE.這個(gè)IE的注冊(cè)模塊及其集群形式,如圖8所示.

圖7　基本功能模塊圖 圖8　注冊(cè)功能的服務(wù)器集群　　　　　Fig.7　Basic function module diagram Fig.8　Server cluster for registration function

圖9　故障示意圖Fig.9　Diagram of breakdowns

3可靠性和性能分析

3.1可靠性分析

設(shè)計(jì)采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)與星型網(wǎng)結(jié)合，保證平臺(tái)不因某處的網(wǎng)絡(luò)故障而停止服務(wù).設(shè)備采用冗余方式，且使用磁盤陳列.因此，單個(gè)設(shè)備的故障不會(huì)造成服務(wù)停止.充分考慮負(fù)載均衡，以免造成死機(jī).以一故障為例，其示意圖如圖9所示.

計(jì)算本平臺(tái)因故障而完全停止服務(wù)的概率(以圖2(b)的設(shè)備數(shù)量為例).設(shè)每條線路出故障的概率為px，設(shè)備出故障的概率為ps，那么,對(duì)所有Web服務(wù)器集群都不能提供服務(wù)的概率(pw)為

式中：px2表示環(huán)結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)2處故障，網(wǎng)絡(luò)才失去通訊能力；ps4表示W(wǎng)eb服務(wù)器集群有4個(gè)服務(wù)器，最差的情況是所有服務(wù)器都故障，這個(gè)集群就不能提供服務(wù)；(px2+ps4)4表示服務(wù)器集群有4個(gè).

數(shù)據(jù)中心不提供服務(wù)的概率(pd)為pd= px16+ps4,則本平臺(tái)完全不能提供服務(wù)的概率(P)為P=pw+pd=(px2+ps4)4+px16+ps4.

現(xiàn)實(shí)中，一條正常的線路工作20h，出現(xiàn)一次故障，而發(fā)現(xiàn)、檢測、修復(fù)的時(shí)間一般為1h[7].所以,px可以估值為1/20.同樣,ps大概為1/20.從而得出P約為1/160 000，即18a中有1h故障.

3.2性能分析

本平臺(tái)的性能主要取決于Web服務(wù)器集群，它可以為運(yùn)行的服務(wù)提供多種計(jì)算形式,如流水線計(jì)算、分布式計(jì)算、流水線與分布式混合式計(jì)算.

如果服務(wù)可以分成多個(gè)子任務(wù)計(jì)算，那么，可以用流水線完成.設(shè)n為任務(wù)數(shù)，每個(gè)任務(wù)分成k個(gè)子任務(wù)，Δti為第i個(gè)子任務(wù)所需的時(shí)間，則流水線完成n個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間[8]為

不用流水線，那么，完成任務(wù)所用的時(shí)間為

假設(shè)有100個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)分成10個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)完成的時(shí)間為1s，那么，tK1為199s，而tK2為1 000s.所以,用流水線計(jì)算要快4倍.當(dāng)然，如果任務(wù)數(shù)增加，倍數(shù)也會(huì)隨著增加.

如果服務(wù)可以分成多個(gè)子任務(wù)并行計(jì)算，那么，可以用分布式完成.其性能分析為

(1) 分布式:tK1=(n)max(Δt1，Δt2，…，Δtk),

(2) 一般式:tK2=(∑Δti)+(n-1)(∑Δti).

圖10　性能分析對(duì)比圖Fig.10　Performance analysis of the comparison chart

如果假設(shè)的情況與流水線的例子一樣，那么,tK1為100s，而tK2為1 000s，相差9倍，并且隨著任務(wù)數(shù)的增加，倍數(shù)也隨之增加.根據(jù)上面例子所做的性能分析圖，如圖10所示.圖10中：N為任務(wù)數(shù)；t為時(shí)間.由圖10可知：單機(jī)計(jì)算與流水線和分布式計(jì)算的差別.

4結(jié)束語

本平臺(tái)在多個(gè)單位得到應(yīng)用，運(yùn)行的是工作流系統(tǒng).有不少服務(wù)器用PC機(jī)代替，但本平臺(tái)已經(jīng)持續(xù)運(yùn)行半年多，并且曾多次進(jìn)行軟硬件升級(jí).據(jù)統(tǒng)計(jì)，平臺(tái)平均每天訪問量為每次8 390人，每人在一天內(nèi)的平均操作時(shí)間為2h，平均每天被訪問時(shí)間為15h，其并發(fā)數(shù)為每小時(shí)1 049個(gè)任務(wù)，并發(fā)數(shù)峰值為每小時(shí)1 155個(gè)任務(wù).使用流行配置的PCServer構(gòu)建的B/S系統(tǒng)作對(duì)比，它的并發(fā)數(shù)一旦接近每小時(shí)300個(gè)任務(wù)，便要進(jìn)行重啟.當(dāng)然，服務(wù)的高可靠性、高性能和易擴(kuò)展性等是由眾多因素決定的[9]，如服務(wù)的程序使用了落后的算法、過多外部命令的調(diào)用、在不穩(wěn)定的操作系統(tǒng)上運(yùn)行等也是降低性能及可靠性的因素[10].這是將后續(xù)需要研究的課題.

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(責(zé)任編輯： 黃曉楠英文審校： 吳逢鐵)

Cloud Platform Based on the Ring Star Network and Load Balancing Technique

LUO Jianfeng, CHEN Yuqiang

(Department of Computer Engineering， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808, China)

Abstract：Adopting the cluster load balancing technique to design a unique high-performance, reliable, and easily expanded cloud platform, as well as applying a combination of ring and star network and a various multi-formed counting technique to solve the problems of the traditional platform technique. According to the reliable tests: the higher of the load, the better performance and longer stability will be achieved.

Keywords：cloud platform techniques; cluster load balancing technique; Network topology; distributed calculation; pipeline calculation

中圖分類號(hào)：TP 302

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：廣東省優(yōu)秀青年教師人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015S02, YQ2013201)； 東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院示范建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(ZXHQ2014D001)

通信作者：駱劍鋒(1981-)，男，副教授，主要從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)的研究.E-mail:251048547@qq.com.

收稿日期：2015-12-22

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.02.0164

文章編號(hào)：1000-5013(2016)02-0164-04