◇長江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 李輝

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行和處理數(shù)據(jù)能力也進(jìn)一步增強(qiáng)，僅靠單臺設(shè)備來處理數(shù)據(jù)已無法滿足日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求。負(fù)載均衡技術(shù)能夠?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行合理分配，多臺設(shè)備并行處理任務(wù)，系統(tǒng)的處理能力大大提高，同時(shí)縮減了響應(yīng)等待的時(shí)間。本文詳細(xì)介紹了負(fù)載均衡技術(shù)的分類及不同技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，對制定合理的負(fù)載均衡策略需考慮的因素進(jìn)行了分析，為處理更為復(fù)雜的任務(wù)提供了理論依據(jù)。

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行和處理數(shù)據(jù)能力也進(jìn)一步增強(qiáng)，傳統(tǒng)簡單的處理設(shè)備無法承擔(dān)處理龐大數(shù)據(jù)流量和訪問量的任務(wù)。如果僅采用簡單的傳統(tǒng)硬件升級辦法來提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和能力，不僅將造成大量的資源浪費(fèi)，更重要的是面對發(fā)展如此迅速的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求，僅采用硬件升級的辦法只能解決一時(shí)的問題，不能作為長久之計(jì)[1]。由單一模塊處理轉(zhuǎn)換成多模塊共同處理，并且使多模塊處理任務(wù)盡可能平均分配處理任務(wù)的需求日益凸顯，既能解決資源浪費(fèi)的問題，又能提升計(jì)算機(jī)處理能力，還能降低因設(shè)備頻繁升級產(chǎn)生的時(shí)間成本，負(fù)載均衡技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生[2]。

負(fù)載均衡技術(shù)的提出是1996年Foundry公司提出的，F(xiàn)oundry公司的主營產(chǎn)品是交換機(jī)，在面對當(dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的迅猛發(fā)展，業(yè)務(wù)規(guī)模暴增，使得該公司不得不研發(fā)新的方案來處理處理能力與需求量嚴(yán)重不匹配的矛盾，基于此背景，F(xiàn)oundry公司研發(fā)出負(fù)載均衡產(chǎn)品，并將其運(yùn)用到自己的交換機(jī)上。負(fù)載均衡技術(shù)有兩個方面的功能：一方面，該技術(shù)因?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行了合理分配，多臺設(shè)備并行處理任務(wù)，后由專門的設(shè)備處理匯總進(jìn)行反饋，使系統(tǒng)的處理能力大大提高；另一方面，由單臺設(shè)備優(yōu)化為多臺設(shè)備處理，縮減了響應(yīng)等待的時(shí)間[3]。負(fù)載均衡原理示意圖如圖1所示。

圖1 負(fù)載均衡原理示意圖

負(fù)載均衡并非字面理解的絕對均衡，通常是把因處理量特別大可能導(dǎo)致某臺設(shè)備“堵塞”的負(fù)載分配給其他設(shè)備進(jìn)行處理，對任務(wù)進(jìn)行分擔(dān)[4]。負(fù)載均衡的作用類似于輪流值日制度，并將接收到的處理任務(wù)分給大家共同完成。

2 負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用

2.1 負(fù)載均衡技術(shù)的功能

負(fù)載均衡技術(shù)因在傳統(tǒng)技術(shù)手段上提供了一種效率更高、可靠性更強(qiáng)的方法，同時(shí)擴(kuò)展了服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路的帶寬，使得處理數(shù)據(jù)的能力大大加強(qiáng)，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性，因而被廣泛使用[5]。

負(fù)載均衡技術(shù)主要有七個方面的功能：解決網(wǎng)絡(luò)擁堵問題、就近提供服務(wù)、提升用戶的使用滿意度、提高服務(wù)器的處理能力和響應(yīng)速度、降低資源的浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)地理位置無慣性、降低單點(diǎn)失效的概率。

2.2 負(fù)載均衡技術(shù)的分類及應(yīng)用

負(fù)載均衡均衡技術(shù)主要可分為以下四類：軟件負(fù)載均衡和硬件負(fù)載均衡，本地負(fù)載均衡和全局負(fù)載均衡，更高網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載均衡，鏈路聚合技術(shù)。負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)的不同層次著手進(jìn)行實(shí)際分析。本文以客戶端應(yīng)用為起點(diǎn)進(jìn)行縱向分析，結(jié)合開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（簡稱OSI模型），將負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用分為基于客戶端負(fù)載均衡技術(shù)、應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載均衡技術(shù)、基于域名系統(tǒng)的負(fù)載均衡技術(shù)、鏈路聚合技術(shù)等幾種方式[6]。

（1）基于客戶端負(fù)載均衡技術(shù)。簡單來將，該技術(shù)就是在客戶端編寫一個特殊的程序，該程序?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行處理后再向服務(wù)器發(fā)起請求。在進(jìn)行處理任務(wù)時(shí)，首先由該特殊程序?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行判斷，依此來制定最合理的處理策略，確定最佳服務(wù)器來進(jìn)行任務(wù)處理，在此服務(wù)器無法正常處理任務(wù)時(shí)，會向其他能處理該任務(wù)的服務(wù)器發(fā)起請求，這是一種動態(tài)的附在均衡技術(shù)。其運(yùn)行原理如圖2所示。

圖2 基于客戶端負(fù)載均衡技術(shù)運(yùn)行原理圖

基于客戶端負(fù)載均衡技術(shù)的特點(diǎn)有：①均衡技術(shù)是在客戶端實(shí)現(xiàn)的，不需要使用其他外部負(fù)載均衡設(shè)備；②特定程序處理后的任務(wù)有可能導(dǎo)致所有服務(wù)器均無法使用的問題，其透明度低；③特定程序處理后的任務(wù)有可能導(dǎo)致單臺服務(wù)器過載的問題。鑒于該技術(shù)存在以上特點(diǎn)，在實(shí)際處理任務(wù)時(shí)，需對特殊程序進(jìn)行優(yōu)化，即針對不同的任務(wù)，對該特殊程序進(jìn)行一定的修改，使之能夠制定出更合理的處理策略，如果想高效合理的應(yīng)用該技術(shù)，特殊程序的開發(fā)頻率較高，其工作量較大。通常該技術(shù)比較適合客戶端有較龐大的程序庫，以及對服務(wù)器入流量較大的任務(wù)（比如，Memcache大流量寫入），該技術(shù)也可以與其他負(fù)載均衡技術(shù)相結(jié)合來制定更加合理的策略。

（2）應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載均衡技術(shù)。在基于客戶端負(fù)載均衡技術(shù)的基礎(chǔ)上，如果能用中間平臺來替代那些特殊程序，構(gòu)成一種三層數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，那么在客戶端就可以不用經(jīng)常對特殊程序進(jìn)行修改，而是在中間利用某一專業(yè)的技術(shù)手段對任務(wù)進(jìn)行處理后再提交到服務(wù)器，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)就是反向代理技術(shù)，該技術(shù)可將任務(wù)比較均勻的發(fā)送到各個服務(wù)器，以達(dá)到負(fù)載均衡的目的。其技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載均衡技術(shù)運(yùn)行原理圖

應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載均衡技術(shù)的特點(diǎn)是可以將負(fù)載均衡和代理服務(wù)器的高速緩存技術(shù)結(jié)合在一起，提供更加優(yōu)化的策略。其缺點(diǎn)是在處理不同類型的任務(wù)時(shí)，都需要用到不同的負(fù)載均衡器，開發(fā)成本較高。該技術(shù)主要用在windows NLB、nginx反向代理和F5設(shè)備上。

（3）基于域名系統(tǒng)的負(fù)載均衡技術(shù)。美國國家超級計(jì)算應(yīng)用中心是最先使用基于域名系統(tǒng)的負(fù)載均衡技術(shù)的，目前，大部分負(fù)載均衡技術(shù)都是通過域名系統(tǒng)來訪問目的主機(jī)的，在客戶端發(fā)出任務(wù)處理請求時(shí)，首先必須通過DNS請求獲得服務(wù)器的IP地址，基于DNS的全局負(fù)載均衡正是在返回DNS解析結(jié)果的過程中，制定出最優(yōu)化的任務(wù)處理策略，最終會反饋一個最佳服務(wù)IP到客戶端。其技術(shù)原理如圖4所示。

圖4 基于域名系統(tǒng)的負(fù)載均衡技術(shù)運(yùn)行原理圖

因該技術(shù)應(yīng)用難度不高，且不需要復(fù)雜的軟硬件設(shè)備，易于管理，因此被廣泛使用。

（4）鏈路聚合技術(shù)。鏈路聚合技術(shù)又稱 Trunk，是指利用多個物理端口相互捆綁，從而形成一個邏輯端口，從而分擔(dān)各成員端口出/入流量的負(fù)荷量的新興技術(shù)[7]。交換機(jī)會在分析了用戶配備的端口負(fù)擔(dān)的流量決定報(bào)文發(fā)送到什么交換機(jī)和何種類型的端口上。

3 負(fù)載均衡策略

在處理復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，如果能夠制定最佳的負(fù)載均衡策略，既能對任務(wù)進(jìn)行合理分配，提高系統(tǒng)的處理能力，又能縮減響應(yīng)等待的時(shí)間[8]。在各類負(fù)載均衡技術(shù)中，根據(jù)客戶端的不同需求，在開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型的第二、三、四、七層的負(fù)載均衡都有不同的負(fù)載均衡策略。影響負(fù)載均衡策略效率和難易程度的關(guān)鍵因素主要有負(fù)載均衡算法和其檢測方法和能力。常用的負(fù)載均衡算法有輪循均衡、權(quán)重輪循均衡、隨機(jī)均衡、權(quán)重隨機(jī)均衡、響應(yīng)速度均衡、最少連接數(shù)均衡、處理能力均衡。應(yīng)根據(jù)客戶端的實(shí)際需求來選擇恰當(dāng)?shù)乃惴?，從而制定出最?yōu)化的負(fù)載均衡策略。

4 結(jié)束語

應(yīng)用最佳的負(fù)載均衡策略能讓多臺服務(wù)器或多條鏈路共同承擔(dān)一些繁重的計(jì)算或I/O任務(wù)，從而降低運(yùn)行成本，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。