负载均衡技术在校园网络中的应用.doc

1、负载均衡技术在校园网络中的应用胡秀建（安徽宿州）摘要：校 园 网 的 应 用 除 了 用 于 教 学 、 科 研 、 管 理 、 图 书 情 报 资 料 检 索 外 ， 还 承 担 任 着 校内 外 信 息 交 流 、 电 子 邮 件 、 公 告 、 新 闻 发 布 ， 以 及 各 种 公 共 网 络 口 的 访 问 等 任 务 。 由 于在 网 络 上 传 输 的 信 息 不 只 是 数 字 、 文 字 和 图 形 ， 还 会 随 应 用 水 平 的 提 高 ， 逐 步 增 加 语 音 、活 动 图 像 及 视 频 图 像 等 高 带 宽 的 应 用 。 因 此 ， 网 络 的 建 设 ，

2、尤 其 是 主 干 网 要 求 高 带 宽 与高 速 度 ， 在 校 园 网 的 服 务 器 中 应 用 负 载 均 衡 技 术 不 失 为 一 种 廉 价 的 解 决 方 案 。关键词：负载均衡 IIS 服务 负载均衡群集负载均衡技术是指由多台服务器以对等的方式组成一个服务器集群，服务器之间具有相同的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。通过在网络中部署负载设备，使它们各自分担一定的业务量，将外部发送来的请求均匀地分配到对等结构中的某一台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。负载均衡技术使得服务器能够平均地响应客户请求，籍此提供快速获取重要数据，解决大量并发访问服

3、务问题。这种群集技术在校园网络中应用，可以用最少的投资获得接近于大型主机的性能，节省校园网络建设的成本。一 、 校 园 网 路 负 载 均 衡 基 本 设 计 思 想一 台 普 通 服 务 器 的 处 理 能 力 只 能 达 到 每 秒 几 万 个 到 几 十 万 个 请 求 ， 无 法 在 一 秒 钟 内处 理 上 百 万 个 甚 至 更 多 的 请 求 。 但 若 能 将 多 台 这 样 的 服 务 器 组 成 一 个 系 统 ， 并 通 过 软 件技 术 将 所 有 请 求 平 均 分 配 给 所 有 服 务 器 ， 那 么 这 个 系 统 就 完 全 拥 有 每 秒 钟 处 理 几 百

4、 万 个甚 至 更 多 请 求 的 能 力 。 这 就 是 负 载 均 衡 最 初 的 基 本 设 计 思 想 。 其 原 理 结 构 图 如 下 ：I n t e r n e t服务器 A服务器 B服务器 C路由器交换机用户 2用户 3用户 4用户 5用户 1负载均衡器图 1二 、 常 见 的 负 载 均 衡 技 术 分 析不 论 在 企 业 还 是 在 事 业 单 位 的 大 型 网 络 中 ， 负 载 均 衡 技 术 都 有 一 定 程 度 上 的 应 用 。归 纳 起 来 ， 常 见 的 负 载 均 衡 技 术 有 如 下 几 种 ：1 基 于 特 定 服 务 器 软 件 的 负 载

5、均 衡 这 种 技 术 是 利 用 网 络 协 议 的 重 定 向 功 能 来 实 现 负 载 均 衡 的 ， 例 如 在 Http 协 议 中支 持 定 位 指 令 ， 接 收 到 这 个 指 令 的 浏 览 器 将 自 动 重 定 向 到 该 指 令 指 明 的 另 一 个 URL上 。 由 于 和 执 行 服 务 请 求 相 比 ， 发 送 定 位 指 令 对 Web 服 务 器 的 负 载 要 小 得 多 ， 因 此可 以 根 据 这 个 功 能 来 设 计 一 种 负 载 均 衡 的 服 务 器 。 一 旦 Web 服 务 器 认 为 自 己 的 负 载较 大 ， 它 就 不 再 直

6、 接 发 送 回 浏 览 器 请 求 的 网 页 ， 而 是 送 回 一 个 定 位 指 令 ， 让 浏 览 器 去 服务 器 集 群 中 的 其 他 服 务 器 上 获 得 所 需 要 的 网 页 。 在 这 种 方 式 下 ， 服 务 器 本 身 必 须 支 持 这种 功 能 ， 然 而 具 体 实 现 起 来 却 有 很 多 困 难 ， 例 如 一 台 服 务 器 如 何 能 保 证 它 重 定 向 过 的 服务 器 是 比 较 空 闲 的 ， 并 且 不 会 再 次 发 送 定 位 指 令 ？ 定 位 指 令 和 浏 览 器 都 没 有 这 方 面 的 支持 能 力 ， 这 样 很 容

7、 易 在 浏 览 器 上 形 成 一 种 死 循 环 。 因 此 这 种 方 式 实 际 应 用 当 中 并 不 多 见 ，使 用 这 种 方 式 实 现 的 服 务 器 集 群 软 件 也 较 少 。 2 基 于 DNS 的 负 载 均 衡 DNS 负 载 均 衡 技 术 是 最 早 的 负 载 均 衡 解 决 方 案 ， 它 是 通 过 DNS 服 务 中 的 随 机 名字 解 析 来 实 现 的 ， 在 DNS 服 务 器 中 ， 可 以 为 多 个 不 同 的 地 址 配 置 同 一 个 名 字 ， 而 最 终查 询 这 个 名 字 的 客 户 机 将 在 解 析 这 个 名 字 时

8、得 到 其 中 的 一 个 地 址 。 因 此 ， 对 于 同 一 个 名字 ， 不 同 的 客 户 机 会 得 到 不 同 的 地 址 ， 它 们 也 就 访 问 不 同 地 址 上 的 Web 服 务 器 ， 从而 达 到 负 载 均 衡 的 目 的 。 这 种 技 术 的 优 点 是 ， 实 现 简 单 、 实 施 容 易 、 成 本 低 、 适 用 于 大 多 数 TCP/IP 应 用 。但 是 DNS 负 载 均 衡 技 术 也 存 在 器 明 显 缺 点 。首 先 ， 这 种 方 案 不 是 真 正 意 义 上 的 负 载 均 衡 ， DNS 服 务 器 将 Http 请 求 平

9、均 地 分配 到 后 台 的 Web 服 务 器 上 ， 而 不 考 虑 每 个 Web 服 务 器 当 前 的 负 载 情 况 。 如 果 后 台 的Web 服 务 器 的 配 置 和 处 理 能 力 不 同 ， 最 慢 的 Web 服 务 器 将 成 为 系 统 的 瓶 颈 ， 处 理 能力 强 的 服 务 器 不 能 充 分 发 挥 作 用 。其 次 ， 未 考 虑 容 错 ， 如 果 后 台 的 某 台 Web 服 务 器 出 现 故 障 ， DNS 服 务 器 仍 然 会把 DNS 请 求 分 配 到 这 台 故 障 服 务 器 上 ， 导 致 不 能 响 应 客 户 端 。最 后

10、， DNS 负 载 技 术 处 理 方 式 有 可 能 造 成 相 当 一 部 分 客 户 不 能 享 受 Web 服 务 ，并 且 由 于 DNS 缓 存 的 原 因 ， 所 造 成 的 后 果 要 持 续 相 当 长 一 段 时 间 (一 般 DNS 的 刷 新 周期 约 为 24 小 时 )。 所 以 在 国 外 最 新 的 建 设 中 心 Web 站 点 方 案 中 ， 已 经 很 少 采 用 这 种 方案 了 。 3.基 于 四 层 交 换 技 术 的 负 载 均 衡 这 种 技 术 是 在 第 四 层 交 换 机 上 设 置 Web 服 务 的 虚 拟 IP 地 址 ， 这 个 虚

11、 拟 IP 地 址是 DNS 服 务 器 中 解 析 到 的 Web 服 务 器 的 IP 地 址 ， 对 客 户 端 是 可 见 的 。 当 客 户 访 问 此服 务 器 的 Web 时 ， 客 户 端 的 Http 请 求 会 先 被 第 四 层 交 换 机 接 收 到 ， 它 将 基 于 第 四 层交 换 技 术 实 时 检 测 后 台 Web 服 务 器 的 负 载 ， 根 据 设 定 的 算 法 进 行 快 速 交 换 。 常 见 的 算法 有 轮 询 、 加 权 、 最 少 连 接 、 随 机 和 响 应 时 间 等 。 4 基 于 七 层 交 换 技 术 的 负 载 均 衡 基

12、于 第 七 层 交 换 的 负 载 均 衡 技 术 主 要 用 于 实 现 Web 应 用 的 负 载 平 衡 和 服 务 质 量保 证 。 它 与 第 四 层 交 换 机 比 较 起 来 有 许 多 优 势 ： 第 七 层 交 换 机 不 仅 能 检 查 TCP/IP 数据 包 的 TCP 和 UDP 端 口 号 ， 从 而 转 发 给 后 台 的 某 台 服 务 器 来 处 理 ， 而 且 能 从 会 话 层 以上 来 分 析 Http 请 求 的 URL， 根 据 URL 的 不 同 将 不 同 的 Http 请 求 交 给 不 同 的 服 务 器 来处 理 (可 以 具 体 到 某 一

13、 类 文 件 ， 直 至 某 一 个 文 件 )， 甚 至 同 一 个 URL 请 求 可 以 让 多 个 服务 器 来 响 应 以 分 担 负 载 。 比 如 ， 当 客 户 访 问 某 一 个 URL， 发 起 Http 请 求 时 ， 它 实 际上 要 与 服 务 器 建 立 多 个 会 话 连 接 ， 得 到 多 个 对 象 ， 例 如 .txt/.gif/.jpg 文 档 ， 当 这 些 对象 都 下 载 到 本 地 后 ， 才 组 成 一 个 完 整 的 页 面 。 5 站 点 镜 像 技 术 以 上 几 种 负 载 均 衡 技 术 主 要 应 用 于 一 个 站 点 内 的 服

14、务 器 群 ， 但 是 由 于 一 个 站 点 接 入Internet 的 带 宽 是 有 限 的 ， 因 此 可 以 把 负 载 均 衡 技 术 开 始 应 用 于 不 同 的 网 络 站 点 之 间 ，这 就 是 站 点 镜 像 技 术 ， 站 点 镜 像 技 术 实 际 上 利 用 了 DNS 负 载 均 衡 技 术 。三 、 网 络 负 载 技 术 的 应 用 给 校 园 网 络 性 能 带 来 的 整 体 服 务 优 势1 网 络 负 载 均 衡 设 备 能 将 传 入 的 请 求 传 播 到 多 达 32 台 服 务 器 上 ， 即 可 以 使 用 最多 32 台 服 务 器 共

15、同 分 担 对 外 的 网 络 请 求 服 务 。 网 络 负 载 均 衡 技 术 保 证 即 使 是 在 负 载很 重 的 情 况 下 ， 服 务 器 也 能 做 出 快 速 响 应 。2 网 络 负 载 均 衡 对 外 只 需 提 供 一 个 IP 地 址 （ 或 域 名 ） ， 可 以 大 大 节 约 校 园 网 络IP 地 址 空 间 ， 为 校 园 网 络 建 设 节 约 成 本 ， 也 增 加 了 校 园 网 络 的 安 全 性 。3 当 网 络 负 载 均 衡 中 的 一 台 或 几 台 服 务 器 不 可 用 时 ， 服 务 不 会 中 断 。 网 络 负 载 均衡 自 动 检

16、 测 到 服 务 器 不 可 用 时 ， 能 够 迅 速 在 剩 余 的 服 务 器 中 重 新 指 派 客 户 机 通 讯 。 这 项保 护 措 施 能 够 帮 助 你 为 关 键 的 业 务 程 序 提 供 不 中 断 的 服 务 ， 并 可 以 根 据 网 络 访 问 量 的增 加 来 相 应 地 增 加 网 络 负 载 均 衡 服 务 器 的 数 量 。 4 网 络 负 载 均 衡 可 在 普 通 的 计 算 机 上 实 现 ， 这 大 大 方 便 了 在 部 署 之 前 的 模 拟 调试 ， 使 得 在 校 园 网 络 架 设 过 程 中 能 更 好 地 模 拟 和 部 署 。 四

17、、 负 载 均 衡 在 校 园 网 络 中 的 实 现 方 法在 Windows Server 2003 中 ， 网 络 负 载 均 衡 的 应 用 程 序 包 括 Internet 信 息 服 务 (IIS)、ISA Server 2000 防 火 墙 与 代 理 服 务 器 、 VPN 虚 拟 专 用 网 、 终 端 服 务 器 、 Windows Media Services（ Windows 视 频 点 播 、 视 频 广 播 ） 等 服 务 。 同 时 ， 网 络 负 载 均 衡 有 助 于改 善 服 务 器 的 性 能 和 可 伸 缩 性 ， 以 满 足 不 断 增 长 的 基 于

18、 Internet 客 户 端 的 需 求 。 网 络 负 载 均 衡 可 以 让 客 户 端 用 一 个 逻 辑 Internet 名 称 和 虚 拟 IP 地 址 （ 又 称 群 集IP 地 址 ） 访 问 群 集 ， 同 时 保 留 每 台 计 算 机 各 自 的 名 称 。 下 面 在 两 台 安 装 Windows Server 2003 的 普 通 计 算 机 上 ， 介 绍 网 络 负 载 均 衡 的 实 现 及 应 用 。 这 两 台 计 算 机 中 ， 一 台 计 算 机 名 称 为 A， IP 地 址 为 192.168.0.7； 另 一 台 名 为B， IP 地 址 为

19、192.168.0.8。 规 划 网 络 负 载 均 衡 专 用 虚 拟 IP 地 址 为 192.168.0.9。 当 正式 应 用 时 ， 客 户 机 只 需 要 使 用 IP 地 址 192.168.0.9 来 访 问 服 务 器 ， 网 络 服 务 均 衡 会 根据 每 台 服 务 器 的 负 载 情 况 自 动 选 择 192.168.0.7 或 者 192.168.0.8 对 外 提 供 服 务 。 具 体实 现 过 程 如 下 ： 在 实 现 网 络 负 载 均 衡 的 每 一 台 计 算 机 上 ， 只 能 安 装 TCP/IP 协 议 ， 不 要 安 装 任 何其 他 的 协

20、 议 （ 如 IPX 协 议 或 者 NetBEUI 协 议 ） ， 这 可 以 从 “网 络 连 接 属 性 ”中 查 看 。 第 一 步 ， 分 别 以 管 理 员 身 份 登 录 A 机 和 B 机 ， 打 开 两 台 机 的 “本 地 连 接 ”属 性 界面 ， 勾 选 “此 连 接 使 用 下 列 项 目 ”中 的 “负 载 均 衡 ”项 并 进 入 “属 性 ”对 话 框 ， 将 IP 地 址 都设 为 192.168.0.9（ 即 负 载 均 衡 专 用 IP） ， 将 子 网 掩 码 设 置 为 255.255.255.0； 第 二 步 ， 分 别 进 入 A 机 和 B 机

21、的 “Internet 协 议 （ TCP/IP） ”属 性 设 置 界 面 ， 点 击“高 级 ”按 钮 后 ， 在 弹 出 的 “高 级 TCP/IP 设 置 ”界 面 中 添 加 IP 地 址 192.168.0.9 和 子 网 掩码 设 置 为 255.255.255.0。 第 三 步 ， 退 出 两 台 计 算 机 的 “本 地 连 接 属 性 ”窗 口 ， 耐 心 等 一 会 儿 让 系 统 完 成 设 置 。以 后 ， 如 果 这 两 台 服 务 器 不 能 满 足 需 求 ， 可 以 按 以 上 步 骤 添 加 第 三 台 、 第 四 台 计 算机 到 网 络 负 载 均 衡

22、系 统 中 以 满 足 要 求 。 负 载 均 衡 设 计 拓 扑 图 如 下 ：用户请求1 9 2 . 1 6 8 . 0 . 71 9 2 . 1 6 8 . 0 . 81 9 2 . 1 6 8 . 0 . 9负载均衡虚拟I P路由器交换机图 2五 、 校 园 网 中 实 现 IIS 网 络 负 载 均 衡 服 务网 络 负 载 均 衡 配 置 好 后 ， 为 了 实 现 某 项 具 体 的 服 务 ， 需 要 在 网 络 负 载 均 衡 的 计 算 机上 安 装 相 应 的 服 务 。 例 如 ， 为 了 实 现 IIS 网 站 的 负 载 均 衡 ， 需 要 在 相 应 的 网 络

23、负 载 均衡 服 务 器 上 安 装 IIS 服 务 。 为 了 让 每 个 用 户 在 通 过 网 络 负 载 均 衡 访 问 到 不 同 的 计 算 机 时 ，能 够 访 问 到 一 致 的 数 据 ， 需 要 在 网 络 负 载 均 衡 的 每 台 计 算 机 上 保 持 数 据 的 一 致 性 。 举 例来 说 ， 实 现 了 两 个 节 点 的 IIS 的 网 络 负 载 均 衡 ， 为 了 保 证 两 个 网 站 内 容 的 一 致 性 ， 除 了这 两 个 IIS 服 务 器 的 配 置 相 同 外 ， 相 应 的 网 站 数 据 必 须 一 致 。 为 了 检 验 网 络 负

24、载 均 衡 ， 我 们 可 以 通 过 IIS 来 进 行 验 证 ， 其 他 的 一 些 应 用 如 终 端服 务 、 Windows Media 服 务 与 IIS 的 应 用 与 之 相 类 似 。 在 其 他 计 算 机 上 的 IE 浏 览 器 中键 入 192.168.0.9， 根 据 网 络 的 负 载 ， 网 络 负 载 均 衡 会 自 动 转 发 到 A 机 或 B 机 。 为 了验 证 效 果 ， 你 可 以 在 浏 览 的 时 候 ， 拔 掉 第 一 台 计 算 机 的 网 线 或 拔 掉 第 二 台 机 器 的 网 线 ，将 会 发 现 浏 览 到 的 将 是 不 同

25、内 容 。 当 然 ， 我 们 在 测 试 的 时 候 ， 为 了 验 证 网 络 负 载 均 衡 的效 果 ， 把 两 个 网 站 设 置 成 不 一 致 的 内 容 ， 而 在 正 式 应 用 的 时 候 ， 网 络 负 载 均 衡 群 集 的 每个 节 点 计 算 机 的 内 容 将 是 一 致 的 ， 这 样 不 管 使 用 哪 一 个 节 点 响 应 ， 都 能 保 证 访 问 的 内 容是 一 致 的 。 参考文献： 1百度文库.Cisco 校园网络安全解决方案.http:/ 年 7 月 20 日2百度文库.普通高校校园网络规划初探.http:/ 年 7 月 4 日3李学军、罗靖、孙陆青等.Windows200 Server 操作系统.海洋出版社.2004 年 10 月4吴学毅.计算机网络规划与设计.机械工业出版社.2009 年 4 月注：若上面图不能正常显示，可采用下面 2 个图，分别对应上面的图 1 和图 2。作者简介：胡秀建（1979.6-） ，男，安徽宿州人，宿州职业技术学院计算机信息系教师，计算机应用技术专业硕士，讲师。