侯超平,李春锃（.廣西科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心; .廣西陸港科技有限公司,廣西 柳州 545006）

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云計算的高可用性實現(xiàn)技術(shù)探討

侯超平1,李春锃2
（1.廣西科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心; 2.廣西陸港科技有限公司,廣西 柳州 545006）

摘 要：文章對云基礎(chǔ)架構(gòu)及業(yè)務(wù)應(yīng)用層設(shè)計這兩個層面的屬性進(jìn)行分析，對云計算中實現(xiàn)高可用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，探討為實現(xiàn)高可用性提供支撐的計算資源伸縮、業(yè)務(wù)會話處理等技術(shù)實現(xiàn)方式。為實現(xiàn)高可用的業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計及云平臺實施提供參考。

關(guān)鍵詞：云計算；高可用；資源彈性伸縮

1 引言

高可用性HA（High Availability）是指通過盡量縮短因日常維護(hù)操作（計劃）和突發(fā)的系統(tǒng)崩潰（非計劃）所導(dǎo)致的停機(jī)時間，以提高系統(tǒng)和應(yīng)用的可用性。HA是目前企業(yè)防止核心計算機(jī)系統(tǒng)因故障停機(jī)的最有效手段[1]。云計算的高可用性能已成為云計算相對于傳統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)體現(xiàn)的眾多優(yōu)勢之一，所以如何實現(xiàn)高可用性是設(shè)計云平臺時需要重點考慮的要素之一。為實現(xiàn)運行于云平臺上業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可用特性，在構(gòu)建云平臺時需要從硬件、軟件、策略及管理等多個方面、多維度進(jìn)行分析及設(shè)計，使構(gòu)建的云平臺能為運行于其上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供不間斷服務(wù)保障。

2 云平臺典型架構(gòu)

典型云平臺中的云基礎(chǔ)架構(gòu)通常劃分為硬件層、虛擬化層、云層這三個層次。業(yè)務(wù)系統(tǒng)及云基礎(chǔ)架構(gòu)層次如圖1所示。

（1）虛擬化層：大多數(shù)云基礎(chǔ)架構(gòu)都廣泛采用虛擬化技術(shù)，包括計算虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等[2]。通過虛擬化層可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、可靈活擴(kuò)展和收縮、彈性的虛擬化資源池。

（2）云層：對資源池進(jìn)行調(diào)配、組合，能根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需要自動生成、擴(kuò)展所需的計算資源，將更多的應(yīng)用系統(tǒng)通過流程化、自動化部署和管理，提高系統(tǒng)負(fù)載能力及可靠性[2]。

（3）應(yīng)用層：包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等，該層為用戶業(yè)務(wù)請求提供服務(wù)。

3 云平臺構(gòu)建中的高可用實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)及云基礎(chǔ)架構(gòu)層次特點，云計算中的高可用設(shè)計主要集中在云層、業(yè)務(wù)系統(tǒng)及應(yīng)用層這兩個層面。

3.1 云層

云層主要是對虛擬化層實現(xiàn)統(tǒng)一管理，在該層中高可用設(shè)計需要考慮的問題主要包括資源動態(tài)伸縮、負(fù)載均衡調(diào)度、節(jié)點遷移等因素。

3.1.1 計算資源動態(tài)伸縮

當(dāng)云平臺中的計算節(jié)點業(yè)務(wù)負(fù)載能力達(dá)到設(shè)定的閥值時，為保障新業(yè)務(wù)請求的響應(yīng)時間及業(yè)務(wù)可用性，必須對計算資源池中的節(jié)點資源實現(xiàn)動態(tài)擴(kuò)展。當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)負(fù)載減少，業(yè)務(wù)請求降低時，需要對以前擴(kuò)展的資源進(jìn)行收縮，以保證在有限的硬件資源的條件下，能將資源分配給其它更迫切需要計算資源的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，從而保障云平臺內(nèi)全部業(yè)務(wù)系統(tǒng)的整體可用性。計算資源動態(tài)伸縮需要考慮如下問題：

（1）彈性伸縮策略。1）虛擬機(jī)系統(tǒng)級性能參數(shù)的彈性伸縮，包括cpu使用率、內(nèi)存使用率、虛擬內(nèi)存頁面交換率等；2）業(yè)務(wù)級別的性能參數(shù)的彈性伸縮，包括tcp連接數(shù)、http連接數(shù)、DB連接數(shù)等；3）除了支持系統(tǒng)性能參數(shù)、業(yè)務(wù)性能參數(shù)彈性伸縮外，還支持監(jiān)測應(yīng)用是否健康來進(jìn)行彈性伸縮。目前比較常用的是web類應(yīng)用，通過http/https心跳消息進(jìn)行檢測，發(fā)送約定次數(shù)的http/https消息均無響應(yīng)時，則認(rèn)為是業(yè)務(wù)系統(tǒng)節(jié)點已經(jīng)宕機(jī)，則進(jìn)行相應(yīng)處理。首先重啟虛擬機(jī)，若重啟虛擬機(jī)后，該業(yè)務(wù)系統(tǒng)節(jié)點還是宕機(jī)，則彈性生成一個業(yè)務(wù)節(jié)點，同時添加至虛擬負(fù)載均衡集群中，以接收新的業(yè)務(wù)服務(wù)請求。

（2）延時關(guān)機(jī)。彈性收縮虛擬機(jī)時，為減少對已經(jīng)建立會話的業(yè)務(wù)影響，需要支持延時關(guān)機(jī)。負(fù)載均衡調(diào)度器收到減少集群成員時，不是馬上將該成員移出集群，而是繼續(xù)處理的已經(jīng)存在的會話，但是此時不再處理新的會話，等待一段時間后，再執(zhí)行移出集群，執(zhí)行關(guān)機(jī)或銷毀虛擬機(jī)。

（3）動態(tài)伸縮模式。計算資源的動態(tài)伸縮模式可主要分為資源節(jié)約優(yōu)先模式及伸縮時間優(yōu)先模式兩種。

1）資源節(jié)約優(yōu)先模式。計算資源擴(kuò)展時，通過虛擬機(jī)鏡像新創(chuàng)建虛機(jī)并加入資源池。由于需要重新創(chuàng)建虛機(jī)并安裝部署應(yīng)用，時間上不占優(yōu)勢。計算資源收縮時，不提供服務(wù)的虛以機(jī)都進(jìn)行銷毀，回收全部資源，資源可以得到最大程度的利用。

2）伸縮時間優(yōu)先模式。該方式總是保存彈性伸縮組（集群）最大容量的虛擬機(jī)數(shù)量，即使該虛機(jī)沒有提供服務(wù)，此時只是將該虛擬機(jī)關(guān)閉。虛擬機(jī)關(guān)閉時，存儲空間不能進(jìn)行回收（CPU、內(nèi)存可以回收重新利用）。由于虛擬機(jī)未激活時僅時處于關(guān)閉狀態(tài)，在需要新增活動虛擬機(jī)進(jìn)計算資源池中時，只需要重新啟動即可，所以該方式在伸縮時間效率上具有較大的優(yōu)勢。

3.1.2 負(fù)載均衡設(shè)計

當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)負(fù)載高時，為保證系統(tǒng)的可用性，需要由單節(jié)點擴(kuò)充成多節(jié)點，以應(yīng)對高并發(fā)帶來的系統(tǒng)性能問題，并使用負(fù)載均衡機(jī)制，根據(jù)某種負(fù)載策略把業(yè)務(wù)請求分發(fā)到計算資源池中的每一節(jié)點上，讓整個計算節(jié)點群來處理業(yè)務(wù)系統(tǒng)的用戶請求。

（1）第四層及第七層服務(wù)器負(fù)載均衡?？紤]到云平臺上運行業(yè)務(wù)的多樣性，負(fù)載均衡需要實現(xiàn)對第四層的TCP協(xié)議、UDP協(xié)議，第七層的HTTP協(xié)議、HTTP Proxy、Header URL和URL 哈希轉(zhuǎn)換、URL和域操作的支持。對第四層及第七層協(xié)議負(fù)載均衡功能通常使用深層包檢查與流量操作技術(shù)實現(xiàn)。

（2）負(fù)載均衡算法。由于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的多樣性，為了最大程度地支持各類具有不同負(fù)載特點的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，負(fù)載均衡一般采用輪詢調(diào)度、最小連接調(diào)度、加權(quán)輪詢調(diào)度、加權(quán)最小連接調(diào)度、最快回應(yīng)分配等方法實現(xiàn)。

（3）設(shè)計健康檢查機(jī)制確保服務(wù)器與應(yīng)用系統(tǒng)及時響應(yīng)，并清除無負(fù)載均衡響應(yīng)的節(jié)點應(yīng)用系統(tǒng)，避免用戶請求被調(diào)度至無效的資源節(jié)點中，以保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可用性。

3.1.3 虛擬機(jī)節(jié)點遷移

虛擬機(jī)節(jié)點遷移時，通過心跳機(jī)制，定時監(jiān)測計算資源池集群內(nèi)主機(jī)的CPU、內(nèi)存利用率等指標(biāo)，并根據(jù)預(yù)定的規(guī)則來判斷是否需要為該主機(jī)在集群內(nèi)尋找有更多可用資源的主機(jī)，以將該主機(jī)上的虛擬機(jī)遷移到另外一臺具有更多合適資源的服務(wù)器上，通過動態(tài)資源調(diào)整來保障系統(tǒng)的響應(yīng)時間，實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可用。虛擬節(jié)點遷移過程見圖2。

3.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)及應(yīng)用層

除云基礎(chǔ)架構(gòu)層面需要考慮高可用特性實現(xiàn)外，為了使運行于具有資源自動伸縮特性的云平臺上業(yè)務(wù)系統(tǒng)能更好地實現(xiàn)高可用，業(yè)務(wù)系統(tǒng)及架構(gòu)也有必要針對云平臺的特點進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計。

3.2.1 資源自動伸縮類型特點

當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的資源利用率達(dá)到預(yù)定的閥值或無法及時響應(yīng)業(yè)務(wù)請求時，云平臺的計算節(jié)點將自動擴(kuò)展。根據(jù)云平臺的計算節(jié)點不同擴(kuò)展方式，一般可分為活動節(jié)點復(fù)制擴(kuò)展及模板生成擴(kuò)展兩類。

（1）活動節(jié)點復(fù)制擴(kuò)展。即節(jié)點擴(kuò)展生成新計算節(jié)點時，以當(dāng)前運行的活動節(jié)點（母節(jié)點）作為克隆對象，將虛擬機(jī)連同虛擬機(jī)運行內(nèi)容一起復(fù)制，生成新計算節(jié)點（子節(jié)點）。初始時，子節(jié)點具有與母節(jié)點相同的內(nèi)存內(nèi)容，即業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行時所存放于內(nèi)存的會話、緩存等信息一起被復(fù)制到新生成的計算節(jié)點中。

（2）模板生成擴(kuò)展。即生成新計算節(jié)點時以虛擬機(jī)鏡像或快照等作為模板，生成新計算節(jié)點并加入到業(yè)務(wù)計算節(jié)點集群中。初始時，新創(chuàng)建的計算節(jié)點尚未存有業(yè)務(wù)運行信息，為使調(diào)度至該節(jié)點的業(yè)務(wù)請求能繼續(xù)處理此前已在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中活躍的業(yè)務(wù)會話，應(yīng)用層的業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)需要考慮業(yè)務(wù)會話共享的問題。

3.2.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)適配資源自動伸縮類型

（1）適配活動節(jié)點復(fù)制擴(kuò)展類型?；顒庸?jié)點中運行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)特點可為兩類，需要對分類進(jìn)行不同處理。

1）活動節(jié)點中的服務(wù)會話及緩存均適用于任何用戶請求，如DNS服務(wù)系統(tǒng)。由活動節(jié)點復(fù)制出的新節(jié)點加入資源池后即可為所有業(yè)務(wù)請求提供服務(wù)，該類型的業(yè)務(wù)系統(tǒng)無須進(jìn)行特別處理，與傳統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng)一致。

2）節(jié)點中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)會話及緩存無法適用所有節(jié)點，如一般的web應(yīng)用中，僅全局性的對象值適用于所有節(jié)點，用戶會話信息通常會保存于不同的業(yè)務(wù)處理節(jié)點中。由于適配活動節(jié)點復(fù)制擴(kuò)展時會將母節(jié)點包括會話和緩存在內(nèi)的所有內(nèi)存信息克隆至新節(jié)點中，為了使新節(jié)點有足夠的內(nèi)存資源去接受新的業(yè)務(wù)請求，必須將內(nèi)存中與新業(yè)務(wù)請求無關(guān)的會話及緩存進(jìn)行清除。

所以業(yè)務(wù)系統(tǒng)在設(shè)計時需要考慮監(jiān)視其運行的節(jié)點IP等信息，業(yè)務(wù)系統(tǒng)可通過IP等信息產(chǎn)生變化，能感知其位于新創(chuàng)建的節(jié)點上，并自動清除無用的會話及緩存，以釋放內(nèi)存去接受新的業(yè)務(wù)請求。例如asp.net程序?qū)崿F(xiàn)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，程序需要設(shè)計成能在新節(jié)點創(chuàng)建完成時，在新節(jié)點保留Application對象集中的值，清空Session對象集的對象以釋放計算節(jié)點內(nèi)存，使得節(jié)點中內(nèi)存能夠保存新用戶請求產(chǎn)生的新Session對象。

（2）適配模板生成擴(kuò)展類型。云平臺使用虛擬機(jī)鏡像、快照等模板創(chuàng)建新計算節(jié)點并加入資源池向外提供服務(wù)，新的計算節(jié)點在創(chuàng)建時并沒有任何的業(yè)務(wù)會話信息。若負(fù)均衡調(diào)度器將業(yè)務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)至該節(jié)點，且該業(yè)務(wù)請求需要使用此前業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的一些會話信息，由于新節(jié)點上尚無會話信息，則新生成的計算節(jié)點無法進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。對運行于適配模板生成擴(kuò)展類型云平臺上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計時需要把會話從各計算節(jié)點的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中剝離出來，并將會話共享，使用戶請求業(yè)務(wù)可在不同節(jié)點間透明遷移，當(dāng)某個計算節(jié)點宕機(jī)時也不影響業(yè)務(wù)的持續(xù)運行，使系統(tǒng)達(dá)到高可用。不同節(jié)點間的會話共享一般通過兩種方式實現(xiàn)。

1）將業(yè)務(wù)Session信息保存到所有計算節(jié)點均可訪問的數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)新節(jié)點創(chuàng)建完成后，運行于其上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取保存于數(shù)據(jù)庫中的會話信息，持續(xù)提供應(yīng)用服務(wù)。該方式優(yōu)點是可靠性較高，缺點是會話恢復(fù)時間相對較長。

2）業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計時考慮配置專門的Session服務(wù)器，各個計算節(jié)點上運行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)將Session信息存于Session服務(wù)器中，當(dāng)新節(jié)點創(chuàng)建完成后，運行其上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過Session服務(wù)器中Session信息運行應(yīng)用服務(wù)。該方式優(yōu)點是新節(jié)點會話恢復(fù)時間極快，缺點是Session服務(wù)器發(fā)生故障時，業(yè)務(wù)系統(tǒng)將無法持續(xù)運行。所以一般也會采用配置Session服務(wù)器集群的方式來避免單點故障造成業(yè)務(wù)系統(tǒng)崩潰的問題發(fā)生。

4 結(jié)語

綜述，在云計算環(huán)境中，為了讓業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲得高可用的特性，在實施時需要在云基礎(chǔ)構(gòu)架、應(yīng)用層及業(yè)務(wù)系統(tǒng)這兩大方面進(jìn)行考慮。特別是業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要根據(jù)云平臺中計算資源伸縮的不同方式，設(shè)計時采用不同的系統(tǒng)構(gòu)架并進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終實現(xiàn)云平臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)整體達(dá)到高可用的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國平.IPTV業(yè)務(wù)差異化保障系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].南昌:南昌大學(xué),2010:15.

[2]王理,姜新超.云計算環(huán)境下的基礎(chǔ)架構(gòu)融合[J].信息系統(tǒng)工程，2013(11):32-35.

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廣西柳州市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金計劃項目合同 項目名稱：現(xiàn)代物流信息安全與云計算解決方案 研究及應(yīng)用開發(fā)，合同編號：2013F030303 計劃類別：中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金

作者簡介：侯超平（1981-），男，工程師，研究方向：云計算、虛擬化、高可用。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.231