陳震 廖濤
摘要:隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展,各大型網(wǎng)站的用戶規(guī)模也在急劇增長(zhǎng)。由此帶來(lái)的集中式訪問(wèn),高并發(fā)等問(wèn)題是Web服務(wù)器所面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。使用負(fù)載均衡技術(shù)可以有效解決這一問(wèn)題,但傳統(tǒng)負(fù)載均衡算法中的加權(quán)輪詢算法(Round-Robin,RR)是一種靜態(tài)算法,無(wú)法在服務(wù)運(yùn)行中動(dòng)態(tài)調(diào)整集群的負(fù)載情況。為解決這一問(wèn)題,文章將RR算法加以改進(jìn),提出了一種新的算法:基于硬件資源的加權(quán)輪詢算法(Round-Robin Based on Hardware Resources.RRBHR)。該算法調(diào)用云監(jiān)控EMS接口采集參數(shù),在服務(wù)器間硬件異構(gòu)性的基礎(chǔ)上,設(shè)立動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制分配權(quán)重,最終達(dá)到可動(dòng)態(tài)調(diào)整服務(wù)器集群負(fù)載的效果。對(duì)該算法進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,改造后的RRBHR算法在響應(yīng)時(shí)間和吞吐量上都要優(yōu)于之前的靜態(tài)算法。
關(guān)鍵詞:負(fù)載均衡;服務(wù)器集群;加權(quán)輪詢算法;高并發(fā);動(dòng)態(tài)分配權(quán)重
中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1009-3044(2020)21-0072-04
開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼( OSID):
1 背景
伴隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展與完善,人們大多日常的辦公、通訊、出行、購(gòu)物等都可以通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)站來(lái)完成。這方便人們活動(dòng)的同時(shí)也給網(wǎng)站服務(wù)器帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題:隨著大批量用戶的請(qǐng)求量增多,網(wǎng)站服務(wù)器處理請(qǐng)求時(shí)的壓力也在不斷增大。在某些特殊的活動(dòng)期間,如:節(jié)假日期間、商品的秒殺活動(dòng)、雙十一購(gòu)物節(jié)等,用戶短時(shí)間內(nèi)對(duì)網(wǎng)站訪問(wèn)量會(huì)驟然激增。在這種高并發(fā)、高集中式的訪問(wèn)情況下,網(wǎng)站服務(wù)器需要在短時(shí)間內(nèi)集中處理大批量請(qǐng)求,這會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器的負(fù)載不斷增大。其中,硬件性能較差的服務(wù)器處理請(qǐng)求效率低,可能會(huì)造成大量的請(qǐng)求積壓,服務(wù)器負(fù)載會(huì)逐漸增大。在達(dá)到一定的閾值后,該服務(wù)器的性能可能會(huì)受到嚴(yán)重影響甚至崩潰,造成用戶請(qǐng)求超時(shí)失效。而其他性能好的服務(wù)器由于處理請(qǐng)求效率高,接收的請(qǐng)求會(huì)很快地處理掉,處于相對(duì)空閑狀態(tài)。為解決這一問(wèn)題,增加服務(wù)器機(jī)器的數(shù)量,構(gòu)建更多的集群來(lái)平均服務(wù)器的請(qǐng)求數(shù)是一種可行的辦法。但這種方法花費(fèi)金額巨大并且會(huì)增加網(wǎng)站后期運(yùn)維成本,并不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。此時(shí),軟件層面上的負(fù)載均衡(LoadBalance)技術(shù)成為人們的突破點(diǎn)[1]。這種搭建在服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的負(fù)載均衡技術(shù),可以有效地平攤高并發(fā)等問(wèn)題帶來(lái)的壓力,均衡每臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載。從而能夠維持各自服務(wù)器的性能,保障整個(gè)集群的運(yùn)行穩(wěn)定,是一種透明且廉價(jià)的方式,相比增加服務(wù)器集群數(shù)目更加靈活和經(jīng)濟(jì)實(shí)用[2]。
傳統(tǒng)負(fù)載均衡算法可分為靜態(tài)算法(static algorithm)和動(dòng)態(tài)算法(dynamic algorithm)兩大類。靜態(tài)負(fù)載均衡算法常見(jiàn)的有加權(quán)隨機(jī)算法,一致性哈希算法,輪詢算法和加權(quán)輪詢算法等。動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法常見(jiàn)的有最快響應(yīng)算法,最小活躍數(shù)算法等。不同的負(fù)載均衡算法方案選擇,對(duì)服務(wù)器集群的影響也不相同。對(duì)此,一些相關(guān)研究和各種負(fù)載均衡優(yōu)化方案被提了出來(lái)。文婷婷等人提出了一種彈性算法,根據(jù)概率分布和資源需求,設(shè)計(jì)了一種彈性虛擬機(jī)遷移的負(fù)載均衡算法[3]。汪佳文等人提出了動(dòng)態(tài)自適應(yīng)權(quán)重算法,結(jié)合改進(jìn)后的Pick-k算法,能夠始終保證性能最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)[4]。王宇耕等人提出了基于負(fù)載預(yù)測(cè)的自適應(yīng)算法,根據(jù)AR算法得出預(yù)測(cè)值的結(jié)果,調(diào)整服務(wù)器的權(quán)值[5]。張慧芳分析了加權(quán)最小連接數(shù)算法和IP隧道負(fù)載均衡技術(shù),提出了一種可以根據(jù)動(dòng)態(tài)反饋調(diào)整的算法[6]。王東提出了DWA算法,將Http請(qǐng)求分為事務(wù)性和發(fā)布性請(qǐng)求,對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行了分析后,根據(jù)DWA算法合理調(diào)整節(jié)點(diǎn)的任務(wù)調(diào)度進(jìn)行負(fù)載[7]。
這些算法的研究,多數(shù)都是傾向于動(dòng)態(tài)算法,在多數(shù)情況下,動(dòng)態(tài)算法相對(duì)于靜態(tài)算法,在性能和靈活性等方面都要優(yōu)于后者[8]。靜態(tài)負(fù)載均衡算法不考慮服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)[9],其參數(shù)值是一開始就設(shè)定好的,以固定的權(quán)重分配任務(wù)。在程序運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生更改,即使運(yùn)行過(guò)程中有服務(wù)器出現(xiàn)負(fù)載失衡,程序也會(huì)按照預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)運(yùn)行。動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法的參數(shù)值會(huì)根據(jù)程序運(yùn)行時(shí)的環(huán)境不同,動(dòng)態(tài)的調(diào)整更改參數(shù)信息,從而保障各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況相似。
2 幾種靜態(tài)算法介紹與比較
普通輪詢算法[10]的算法思想是將收到的請(qǐng)求以輪流分配的方式分給各個(gè)服務(wù)器,其算法簡(jiǎn)單,適用于服務(wù)器性能相近的情況。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中,Weh集群的各個(gè)服務(wù)器的配置并不都是相同的,加權(quán)輪詢算法是對(duì)普通輪詢算法加以改進(jìn)后的算法。在服務(wù)部署在服務(wù)器之前,開發(fā)人員會(huì)預(yù)先根據(jù)各個(gè)服務(wù)器配置性能不同,評(píng)估賦予不同的權(quán)值,使性能較好的服務(wù)器分配的權(quán)重大,性能弱的服務(wù)器分配的權(quán)重較小。通過(guò)權(quán)重調(diào)整各服務(wù)器處理的請(qǐng)求數(shù),最終使得每個(gè)服務(wù)器總體處理的請(qǐng)求數(shù)大致等于預(yù)先分配的權(quán)重比,從而達(dá)到負(fù)載均衡的效果。加權(quán)隨機(jī)算法思想基于古典概率分布,加權(quán)隨機(jī)算法在服務(wù)啟動(dòng)前,事先為每個(gè)服務(wù)器提供了相應(yīng)的權(quán)值,使各臺(tái)服務(wù)運(yùn)行中處理的請(qǐng)求數(shù)近似于它們權(quán)重的比例。加權(quán)隨機(jī)算法簡(jiǎn)單高效,但在請(qǐng)求數(shù)較少時(shí),其中多數(shù)請(qǐng)求會(huì)分配給權(quán)重較大的服務(wù),可能出現(xiàn)請(qǐng)求傾斜的情況。一致性哈希算法是將服務(wù)器的IP地址或者其他信息作為依據(jù),生成一個(gè)hash值投射到一定長(zhǎng)度的hash環(huán)上。每當(dāng)有新的請(qǐng)求時(shí),根據(jù)算法,為其生成一個(gè)hash值,然后在hash環(huán)上查找出第一個(gè)大于或者等于該hash值的服務(wù)器節(jié)點(diǎn),該請(qǐng)求會(huì)被投射在這個(gè)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器處理。以此分散服務(wù)器的請(qǐng)求,達(dá)到負(fù)載均衡的效果。
常見(jiàn)的衡量負(fù)載均衡算法的指標(biāo)有響應(yīng)時(shí)間和吞吐量。響應(yīng)時(shí)間是指接受和處理一定數(shù)目請(qǐng)求所耗費(fèi)的時(shí)間,本文中默認(rèn)為單位為秒。吞吐量是單位時(shí)間內(nèi)處理的請(qǐng)求數(shù)量。比較上述幾種靜態(tài)算法的性能,使用Postjson分別對(duì)加權(quán)隨機(jī),加權(quán)輪詢,一致性哈希算法模擬進(jìn)行500、1000、1500、2000、2500并發(fā)數(shù)的用戶請(qǐng)求,去除最大值和最小值后取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),如表1所示。
從表1中可以看出,隨著并發(fā)數(shù)的增加,三種算法的響應(yīng)時(shí)間也逐漸增加,吞吐量趨于穩(wěn)定。一致性哈希算法的響應(yīng)時(shí)間高于另外兩種算法,可能是因?yàn)檎?qǐng)求處理過(guò)程中,大量的時(shí)間消耗在哈希計(jì)算中之中,也導(dǎo)致吞吐量低于其他兩種算法。加權(quán)隨機(jī)算法和加權(quán)輪詢算法在響應(yīng)時(shí)間和吞吐量上十分相似。由于加權(quán)輪詢算法的特性,不會(huì)出現(xiàn)少請(qǐng)求量的數(shù)據(jù)傾斜問(wèn)題,且服務(wù)器硬件的異構(gòu)性更契合于加權(quán)輪詢算法。將原本的靜態(tài)算法改進(jìn)為動(dòng)態(tài)算法會(huì)有更大的提升空間,文章提出了基于硬件資源的加權(quán)輪詢算法改進(jìn)。
3 基于硬件資源的加權(quán)輪詢算法
3.1 算法思想
服務(wù)器處理請(qǐng)求的能力與它們當(dāng)前硬件使用率息息相關(guān),以這些硬件使用率作為負(fù)載因子,如:CPU利用率,內(nèi)存使用率,磁盤使用率,網(wǎng)絡(luò)帶寬使用率等[11],計(jì)算得出服務(wù)器的負(fù)載值Load(Si),作為評(píng)價(jià)服務(wù)器負(fù)載情況指標(biāo)。并以每個(gè)服務(wù)器本身硬件參數(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)公式W(si)計(jì)算得出各個(gè)服務(wù)器權(quán)值。在程序運(yùn)行過(guò)程中,周期性的用負(fù)載判斷公式O(Si)檢測(cè)整個(gè)集群的負(fù)載狀況。當(dāng)某個(gè)服務(wù)器短時(shí)間處理請(qǐng)求數(shù)較大,負(fù)載較重出現(xiàn)負(fù)載不均時(shí),動(dòng)態(tài)的降低該服務(wù)器的權(quán)重以減少處理的請(qǐng)求數(shù)。當(dāng)服務(wù)器處理請(qǐng)求數(shù)較少,處于相對(duì)空閑時(shí),加大權(quán)重,增加處理請(qǐng)求數(shù)以提高整體效率。
3.2 算法模型建立
算法模型的建立需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:1)采集服務(wù)器各負(fù)載因子時(shí),如何盡量減少對(duì)服務(wù)器的侵人性;2)各項(xiàng)硬件的權(quán)重該如何合理分配;3)怎樣把各服務(wù)器整體硬件配置的差異,抽象出來(lái)用數(shù)值化表現(xiàn);4)如何判斷調(diào)整權(quán)重的時(shí)機(jī)及如何調(diào)整權(quán)重。
采集負(fù)載因子對(duì)運(yùn)行中的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),是一種額外的開銷,降低采集過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的侵人性有利于提高系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)采集方式有Perfmon檢測(cè)、Linux命令或向服務(wù)器植入程序等方式,這些方式會(huì)周期性的發(fā)送采集數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)或日志中,研究人員再取出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使用這些方法需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理分析且較為復(fù)雜。本實(shí)驗(yàn)加入了阿里云開發(fā)工具包(Alibaba Cloud SDK for Java),使用RPC風(fēng)格直接通過(guò)Http請(qǐng)求的方式,調(diào)用云監(jiān)控的API采集數(shù)據(jù)。此種方法對(duì)服務(wù)器侵人性小且采集的數(shù)據(jù)不需要二次處理,可直接使用在算法中。
服務(wù)器運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)硬件使用率是實(shí)時(shí)變化的,硬件使用率越高,說(shuō)明當(dāng)前狀態(tài)下的服務(wù)器負(fù)載越高。將各個(gè)硬件參數(shù)的權(quán)重系數(shù)與負(fù)載因子乘積之和作為服務(wù)器Si的負(fù)載指標(biāo)函數(shù)Load(Si),如公式(1)所示。服務(wù)器負(fù)載Load(Si):
其中,k1+k2+k3+k4+k5=1。
k1代表相應(yīng)硬件或指標(biāo)的權(quán)重,表示該硬件在整個(gè)服務(wù)中的重要程度。L(Ci),L(Mi),L(Di),L(Ni)分別代表CPU使用率,內(nèi)存使用率,磁盤使用率和帶寬使用率,L(LJ是Load average數(shù)值,是Linux系統(tǒng)特有的屬性。表示在一定時(shí)間間隔內(nèi),在CPU中運(yùn)行列隊(duì)的平均進(jìn)程數(shù)。服務(wù)器運(yùn)行過(guò)程中,各硬件的使用率越高,負(fù)載值Load(Si)越大,說(shuō)明當(dāng)前服務(wù)器的負(fù)載狀況越高。
使用層次分析法( Analytic Hierarchy Process)確定公式(1)中的k值。建立層次分析模型,如圖1所示:
在服務(wù)器硬件構(gòu)成中,CPU負(fù)責(zé)大量的運(yùn)算,是整個(gè)系統(tǒng)的核心。內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬也是相對(duì)重要的部分,通過(guò)對(duì)比分析這些硬件的相對(duì)重要程度得出目標(biāo)層對(duì)比表2。
服務(wù)器集群中各機(jī)器的配置并不是相同的,服務(wù)器的硬件配置越高,性能越好,處理請(qǐng)求的效率也就越高。本實(shí)驗(yàn)選取4臺(tái)硬件配置各不相同的服務(wù)器,做了差異化處理,如表4所示。所有服務(wù)器的cpu型號(hào)皆為Intel⑩Xeon⑧系列。其中一臺(tái)服務(wù)器使用Nacos和Dubbo架構(gòu)提供分布式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(Remote Procedure Call.RPC)服務(wù),以Nacos作為服務(wù)的注冊(cè)中心,結(jié)合Dubbo自身的容錯(cuò)機(jī)制[12]呵保證服務(wù)的高可用性和可靠性[13]。其余服務(wù)器作為服務(wù)提供者,構(gòu)成一個(gè)小型的服務(wù)器集群。
把服務(wù)器不同的硬件配置抽象出來(lái),用具體的數(shù)值表示,得出服務(wù)器性能指數(shù)P(Si)。P(Si)用于衡量某個(gè)服務(wù)器在整個(gè)集群中的性能狀況。
服務(wù)器性能綜合指數(shù)P(S.):
P(Si)= P(Ci)+ P(Mi)+ P(Ni)
(2)
其中,P(Ci)代表服務(wù)器i的CPU性能在整個(gè)集群中的性能比值,通過(guò)查閱資料可知:型號(hào)為Platinum 8269CY的CPU單核計(jì)算能力是型號(hào)為E5-2682 V4的CPU單核計(jì)算能力的1.7倍,可近似認(rèn)為兩者CPU性能比值為1.7:1。同理,認(rèn)為內(nèi)存為IGiB的內(nèi)存與2GiB內(nèi)存的性能比值為1:2。以各項(xiàng)硬件性能比值之和作為評(píng)價(jià)服務(wù)器性能綜合指數(shù)P(Si),P(Si)越大代表該服務(wù)器的硬件配置越高,處理請(qǐng)求的速度越快,可承受的負(fù)載能力也越強(qiáng)。
在初始情況下,為每個(gè)服務(wù)器分配權(quán)重。初始權(quán)重的大小由服務(wù)器硬件性能指數(shù)和當(dāng)前硬件剩余性能組成,通過(guò)公式(3)計(jì)算得出權(quán)重W(Si)。權(quán)重的大小代表著處理請(qǐng)求能力的大小,服務(wù)器性能越好,處理請(qǐng)求效率越高,所分配的權(quán)重應(yīng)該越大。
服務(wù)器權(quán)重W(Si):
P(ratio)代表某個(gè)服務(wù)器在集群中的性能比值,D(Si)是當(dāng)前服務(wù)器的剩余性能。剩余性能的組成由各硬件剩余使用率和CPU空閑狀況構(gòu)成。
采集服務(wù)器負(fù)載信息的常見(jiàn)方式有周期式和貪婪式[14j。周期式是每隔一定的時(shí)間段或次數(shù)采集服務(wù)器的信息,貪婪式是每次請(qǐng)求都收集信息,再進(jìn)行任務(wù)分配。過(guò)于頻繁的收集、更新權(quán)值不但不會(huì)提高負(fù)載均衡能力,而且會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成額外的負(fù)擔(dān)。本實(shí)驗(yàn)使用周期式,引入了計(jì)數(shù)器i,每當(dāng)服務(wù)器處理一次請(qǐng)求時(shí),i加1,當(dāng)i值達(dá)到某個(gè)閾值時(shí),根據(jù)(6)的負(fù)載判斷公式判斷各服務(wù)器負(fù)載狀況,并把i重置為0。
負(fù)載判斷公式O(si):
a是失衡指數(shù),作為閾值來(lái)衡量負(fù)載失衡程度,代表著基于本身性能基礎(chǔ)上,該服務(wù)器負(fù)載失衡程度。O(si)的值越接近于0,說(shuō)明當(dāng)前服務(wù)器的負(fù)載狀況越好。設(shè)定a值為0.3,若O(si)值小于0,說(shuō)明服務(wù)器的負(fù)載較為均衡,不用調(diào)整權(quán)重,若O(s.)值大于0,說(shuō)明系統(tǒng)負(fù)載不均,需要調(diào)用公式(3)重新計(jì)算并分配權(quán)值。使用此種權(quán)重更新策略既不會(huì)對(duì)系統(tǒng)本身的運(yùn)行造成太大的負(fù)擔(dān),又能很好地均衡負(fù)載情況。
3.3 算法步驟與流程
算法執(zhí)行的關(guān)鍵步驟如下:
第一步:使用Dubbo的RPC遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用方案,將服務(wù)注冊(cè)到Nacos上。構(gòu)成可訪問(wèn)的服務(wù)提供集群。
第二步:服務(wù)初始化,調(diào)用云監(jiān)控EMS接口采集服務(wù)器參數(shù),通過(guò)公式(3)為每個(gè)服務(wù)器分配初始權(quán)重w(s,)。
第三步:開始處理請(qǐng)求,并設(shè)置計(jì)數(shù)器i,i的值隨著處理的請(qǐng)求數(shù)增加而增大,i到達(dá)閾值時(shí),通過(guò)公式(6)開始判斷當(dāng)前服務(wù)器負(fù)載情況。
第四步:若O(si)值大于0,說(shuō)明當(dāng)前服務(wù)器負(fù)載不均,調(diào)用公式重新分配權(quán)重w(si)。若O(Si)小于0,說(shuō)明服務(wù)器狀況良好,進(jìn)行下一步。
第五步:計(jì)數(shù)器重新置為0,跳轉(zhuǎn)到第三步,直至所有請(qǐng)求處理完畢。
算法流程圖如圖2所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
把相同的服務(wù)分別部署到三臺(tái)硬件配置各不相同的服務(wù)器上,使用Nacos和Dubbo架構(gòu)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)與治理。用本地主機(jī)作為請(qǐng)求端模擬用戶高并發(fā)請(qǐng)求,訪問(wèn)部署在服務(wù)器上的服務(wù)。
在上述相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,對(duì)RR算法和改進(jìn)后的RRBHR算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出表6。從表6中可以看出,在不同并發(fā)數(shù)的情況下,RRBHR的響應(yīng)時(shí)間都要小于RR算法,并且整體的吞吐量也有了約6%-10%左右的提升。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證改進(jìn)后的RRBHR算法可以在一定程度上提升整體服務(wù)器集群的性能。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)檢測(cè)服務(wù)器的硬件運(yùn)行狀況來(lái)動(dòng)態(tài)更改加權(quán)輪詢算法的權(quán)值,并設(shè)立了調(diào)整機(jī)制,減少了部分服務(wù)器由于負(fù)載不均造成壓力過(guò)大甚至癱瘓的風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到了優(yōu)化服務(wù)器集群負(fù)載的效果。改進(jìn)后的RRBHR算法在性能上優(yōu)于原先的靜態(tài)加權(quán)輪詢算法,有了約6% -10%的提升。該算法尚有一點(diǎn)小的缺陷:人為設(shè)置的計(jì)數(shù)器i值過(guò)小時(shí),會(huì)更頻繁調(diào)用云監(jiān)控CMS的接口,可能會(huì)造成調(diào)用方法出錯(cuò),得不到準(zhǔn)確的負(fù)載因子。計(jì)數(shù)器值過(guò)大時(shí),可能會(huì)造成調(diào)整權(quán)重滯后。如何合理地設(shè)置計(jì)數(shù)器i以達(dá)到性能的最優(yōu),是值得進(jìn)一步研究的地方。
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【通聯(lián)編輯:謝媛媛】
作者簡(jiǎn)介:陳震(1995-),男,安徽合肥人,碩士,主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?廖濤,男,副教授,碩士導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼?shù)據(jù)挖掘。