龔文濤， 郎穎瑩， 夏凌云

(1. 中國石油大學(華東) 網絡及教育技術中心, 青島 266580； 2. 中國石油大學(華東)教育發(fā)展中心, 青島 266580)

一種基于負載均衡的網絡架構設計

龔文濤1， 郎穎瑩2， 夏凌云1

(1. 中國石油大學(華東) 網絡及教育技術中心, 青島 266580； 2. 中國石油大學(華東)教育發(fā)展中心, 青島 266580)

針對校外訪問教育網時網站速度慢的問題，分析和總結了運營商和教育網的架構層次，分析和總結了不同運營商之間的訪問流程，提出了一種基于負載均衡的網絡架構設計，通過將同域名的網站解析為不同運營商網絡內的IP地址，來提升不同運營商訪問校內資源的速度和質量。

運營商； 訪問； 負載均衡

0 引言

隨著互聯(lián)網技術的迅猛發(fā)展[1、2]，特別是信息技術的日新月異，讓人們的生活和以往發(fā)生了巨大變化，遠程視頻會議、辦公自動化、在線視頻聊天、GPS導航等新技術一定程度提高了工作效率，提升了生活質量，這一切和網絡和信息技術密不可分。而網絡的載體，離不開網絡運營商，網絡運營商俗稱網絡提供商。

網絡運營商為廣大的互聯(lián)網用戶提供各種多媒體服務和應用平臺和各種網絡資源，提供各種域名服務等，針對中國來說，目前有影響力的網絡運營商有諸如中國聯(lián)通、中國移動、中國電信，其為企業(yè)和家庭用戶提供了豐富的網絡資源和應用平臺，一定程度改變了生活和休閑方式。而存在的問題是，當聯(lián)通網絡環(huán)境下要去訪問移動網絡中資源和平臺的時候，速度和質量往往不及訪問聯(lián)通網絡內部的相關資源，這說明，是網絡運營商之間的互聯(lián)互通依然需要進一步的強化和優(yōu)化[3]。

除中國聯(lián)通、中國移動及中國電信外，還有一個有著巨大影響力的網絡，也即中國教育和科研計算機網CERNET(The China Education and Research Network)，又稱教育網。教育網主要面向全國的教育領域中各個教學管理部門、各個學校及二級科研單位，是由國家投資建設，由教育部負責管理，依托清華大學等高等學校來建設和管理運行的全國性學術計算機互聯(lián)網絡。教育網是全國最大的公益性互聯(lián)網絡，是開展現(xiàn)代教育的重要平臺，依托教育網，將整個教育行業(yè)互聯(lián)互通[4]。

針對高校來說，一般高校都配備了教育網，教育網為高校的廣大教工和在校大學生以及科研人員提供了一個相對穩(wěn)定和資源豐富的網絡計算環(huán)境，強化了高校之間的鏈路互聯(lián)和資源共享，強化了高校領域的信息交流和資源共享及科研合作[5、6]。

高校依托校園網，進一步推動信息化建設，進一步提升了高校信息化集成水平。各種有獨具高校特色教學網站和應用平臺應用而生，廣大高校教師、教學管理人員、科研人員及大學生們均能夠通過教育網查詢教學信息，高校老師可以通過教育網來查詢教務處課程安排計劃、教學大綱及最新通知等；科研人員可以通過教育網來查詢科研管理平臺中各個科研項目的研究進度及科研前沿信息；教學管理人員能夠通過辦公平臺查詢最新各項工作安排和進度等，學生可以通過教育網查詢自己的成績及課程任務及學校新聞等。

基于教育網下的應用系統(tǒng)集成平臺和網站，訪問需求最為強烈，訪問最為頻繁，如何進一步改善在其他網絡運營商環(huán)境下訪問教育網資源的體驗成為一個研究熱點和難點，針對此，基于負載均衡思想的解決方案是一種嘗試，基于此能通過域名映射將同一個域名解析成為不同的運營商下的IP，一定程度能夠提升訪問效率和用網體驗，本文提出一種基于負載均衡的網絡架構設計，分析和總結了目前網絡運營商和教育網的網絡架構層次關系，及互聯(lián)互通存在的一些問題，提出了基于不同網絡運營商出口的負載均衡的網絡架構，通過域名和對應IP的映射提升其訪問體驗。

1 運營商層次架構和訪問流程概述

1.1 運營商層次架構

教育網運行著四級管理機制，從核心到接入依次是全國教育網網絡中心；教育網地區(qū)網絡中心和教育網地區(qū)主結點；省教育網教育科研網；校園網。CERNET目前已基本具備了連接全國大多數(shù)高等學校的聯(lián)網能力，并完成了CERNET主干網的升級擴容、建成了一個大型的教育和科研計算機網，隨著教育網的不斷發(fā)展和深入應用，新一代教育網將逐步成為未來教育信息化的基礎。

普通運營商常見的是三層管理機制，從核心到接入依次是主干網絡運營商；地區(qū)網絡運營商；本地網絡運營商。

教育網及教育網平臺下的各種集成應用系統(tǒng)極大程度方便了廣大師生的學習和生活，一定程度推進了教學信息化。教育網也有局限性，覆蓋領域有局限性，其覆蓋范圍僅僅針對高校等教育領域，所以，針對學校內部和教育網內部，無論是訪問速度和用網體驗均相對較好，而一當教工和學生在非教育網涵蓋的地域訪問教育網資源，因為教育網和網絡運營商之間的互聯(lián)互通的瓶頸，會導致很多高校教工和學生的在運營商網絡下訪問教育網資源的速度和質量需要進一步改善。

1.2 運營商訪問流程

運營商內部訪問流程和跨運營商的訪問流程，如圖1所示。

圖1 運營商訪問流程圖

假設有在聯(lián)通網絡運營商下的用戶丙，其分別需要訪問在聯(lián)通運營商下的服務器乙和教育網下的服務器甲，用戶丙訪問同運營商下服務器乙的流程如下：

用戶丙→本地聯(lián)通網絡運營商→聯(lián)通地區(qū)網絡運營商→聯(lián)通主干網絡運營商→聯(lián)通地區(qū)網絡運營商→本地聯(lián)通網絡運營商→服務器乙。

其網絡流量和環(huán)節(jié)僅僅限于聯(lián)通網絡內部，涉及環(huán)節(jié)少，訪問速度相對快。

用戶丙訪問教育網下服務器甲的流程如下：

用戶丙→本地聯(lián)通網絡運營商→聯(lián)通地區(qū)網絡運營商→聯(lián)通主干網絡運營商→教育網主干→教育網地區(qū)主節(jié)點→教育網省級節(jié)點→高?！掌骷?/p>

其網絡流量和環(huán)節(jié)跨越了不同運營商，涉及多，訪問速度相對慢。

2 基于負載均衡的網絡架構設計

2.1 網絡架構設計

負載均衡網絡架構圖，如圖2所示。

圖2 負載均衡網絡架構圖

為其配置了中國聯(lián)通、中國移動、中國電信及教育網等主流網絡出口，配置其域名和對應的IP等核心參數(shù)，能夠完成其不同運營商訪問同一個域名而解析對應運營商出口IP的功效，一定程度能夠提升用戶訪問的網絡體驗，從而解決不同網絡環(huán)境下訪問教育網資源慢的問題。

架構中涉及到的中國聯(lián)通、中國移動、中國電信及教育網的IP地址，均需配置出口的公網IP地址，因其需要發(fā)布網站，需要在相應主管部門按要求對公網的IP地址及80端口備案。

2.2 DNS配置步驟

在前面工作做好后，還需在學校DNS域名服務器上面添加的記錄，將域名為sdns的解析擴展為NS記錄此記錄指定負責此DNS區(qū)域的權威名稱服務器，依托NS(名稱服務器)將其擴展為4個外網解析的IP地址，分別是指向中國聯(lián)通、中國移動、中國電信、教育網等運營商的IP地址，為負載均衡的各個接口做準備。

sdns NS ns1.sdns.upc.edu.cn.

這個小區(qū)剛剛有過一起入室搶劫殺人案，如蕓知道，許元生也怕得要死，當時拉著她的手都是哆嗦的，但他還是義無反顧地一直把她擋在身后。那一刻，她感受著他手里的溫度，心中糾結了很久的東西，一點點軟了下來，讓她重新審視了自己的內心。

NS ns2.sdns.upc.edu.cn.

NS ns3.sdns.upc.edu.cn.

NS ns4.sdns.upc.edu.cn.

將upc.edu.cn域名服務器中對sdns解析權力交付給負載均衡服務器。該服務器上有針對性地配置中國聯(lián)通、中國移動、中國電信及教育網等運營商的公網IP地址，且均需要開通80端口，以便發(fā)布網站。

在upc.edu.cn域名解析服務器上面，配置解析對應運營商的公網IP地址，其格式為：

ns1.sdns A 中國聯(lián)通公網某IP

ns2.sdns A 中國移動公網某IP

ns4.sdns A 教育網公網某IP

這樣針對同一個網站的域名，可以完成不同運營商下的源IP解析為不同運營商IP地址的功能，使其在同一個運營商下訪問，減少了網絡訪問的環(huán)節(jié)，減少了跨不同運營商的邊際路由的時間代價，提升訪問速度。

2.3 網站發(fā)布流程

在負載均衡后臺將需要發(fā)布的網站域名綁定在各個運營商的接口公網IP上，將需要發(fā)布的網站域名和服務器的虛接口的地址。

最后將服務器真實IP地址和端口綁定，添加服務器的真實IP地址，且打開對外的虛擬接口，開通80端口，最后保存。

2.4 測試步驟

配置完畢，通過Ping命令來測試負載均衡后的域名解析效果。

在教育網環(huán)境下，ping一個負載均衡的服務器的域名，其解析成教育網的IP地址。Ping的過程中解析域名如下：

正在 Ping htet.sdns.upc.edu.cn [222.195.191.138] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):

來自 222.195.191.138 的回復: 字節(jié)=32 時間<1ms TTL=62

來自 222.195.191.138 的回復: 字節(jié)=32 時間<1ms TTL=62

來自 222.195.191.138 的回復: 字節(jié)=32 時間<1ms TTL=62

在聯(lián)通網環(huán)境下，ping一個負載均衡的服務器的域名，其解析成聯(lián)通網的IP地址。Ping的過程中解析域名如下：

正在 Ping htet.sdns.upc.edu.cn (need true informa-tion)[124.129.172.43] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):

來自124.129.172.43 的回復: 字節(jié)=32 時間<10ms TTL=162

來自124.129.172.43 的回復: 字節(jié)=32 時間<5ms TTL=262

來自124.129.172.43的回復: 字節(jié)=32 時間<5ms TTL=362

通過Ping的簡單實例，驗證了從不同運營商的源IP訪問同一個域名能解析對應的IP地址。

3 總結

本文分析和總結了運營商和教育網的架構層次，針對不同運營商訪問教育網速度慢的問題，提出了一種基于負載均衡的解決方案，能夠將不同主流的運營商下的訪問同一個網站解析成運營商對應的IP地址，一定程度緩解了跨運營商網絡訪問環(huán)節(jié)多、速度慢的問題。

[1] 蔣江,張民選, 等.基于多種資源的負載均衡算法的研究[J] .電子學報,2002,30(8):1148-1152.

[2] VKumar,et al. Scalable load balancing techniques for parallel computers[J]. JPar Distr Comp,1994,22(1):60-79.

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[4] Hill B. Cisco完全手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002;2-25.

[5] R D Blumofe,et al. Scheduling multi-threaded computations by workstealing [J].JACM,1999,46(5) :720-748.

[6] M Y Wu. Onruntime parallel scheduling for processor load balancing [J] .IEEET Parall Distrib,1997, 8(2):173-186.

A Design of Load-balanced Network Architecture

Gong Wentao1,Lang Yingying2,Xia Lingyun1

(1.Internet and Education Technology Center,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,China; 2.Education Development Center,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)

In order to improve the speed of access to educational websites out side the school，the paper analyzes and summarizes the architecture levels of the internet service providers and education network, and analyzes the access process between different operators. The paper proposes a design of the load-balanced network architecture by changing the domain names into the different Internet service providers' IP to improve the speed of the access to the school website.

Internet service providera; Access; Load-balanced network

龔文濤(1984-)，男， 潛江人，中國石油大學(華東)網絡及教育技術中心，工程師，工學碩士，研究方向：訪問控制和網絡安全 郎穎瑩(1983-)，女，青島人，中國石油大學(華東)教育發(fā)展中心，工程師，工學碩士，研究方向：在線教育、系統(tǒng)研發(fā)和網絡安全 夏凌云(1980-)男，瀘州人，碩士，工程師，研究方向：互聯(lián)網技術、計算機軟硬件技術和物聯(lián)網技術

1007-757X(2017)02-0075-03

TP393

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2016.05.05)