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1、负载均衡技术与方案选择负载均衡技术与方案选择当前，无论在企业网、园区网还是在广域网如 Internet 上，业务量的发展都超出了过去最乐观的估计，上网热潮风起云涌，新的应用层出不穷，即使按照当时最优配置建设的网络，也很快会感到吃不消。尤其是各个网络的核心部分，其数据流量和计算强度之大，使得单一设备根本无法承担，而如何在完成同样功能的多个网络设备之间实现合理的业务量分配，使之不致于出现一台设备过忙、而别的设备却未充分发挥处理能力的情况，就成了一个问题，负载均衡机制也因此应运而生。负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效的方法扩展服务器带宽和增加吞吐量，加强网络数据处理能力，提高网络的
2、灵活性和可用性。它主要完成以下任务：解决网络拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性；为用户提供更好的访问质量；提高服务器响应速度；提高服务器及其他资源的利用效率；避免了网络关键部位出现单点失效。对一个网络的负载均衡应用，可以从网络的不同层次入阿手，具体情况要看对网络瓶颈所在之处的具体分析，大体上不外乎从传输链路聚合、采用更高层网络交换技术和设置服务器集群策略三个角度实现。一、负载均衡技术类型一、负载均衡技术类型1、传输链路聚合为了支持与日俱增的高带宽应用，越来越多的 PC 机使用更加快速的链路连入网络。而网络中的业务量分布是不平衡的，核心高、边缘低，关键部门高、一般部门低。伴随计算机处理能
3、力的大幅度提高，人们对多工作组局域网的处理能力有了更高的要求。当企业内部对高带宽应用需求不断增大时（例如 Web 访问、文档传输及内部网连接），局域网核心部位的数据接口将产生瓶颈问题，瓶颈延长了客户应用请求的响应时间。并且局域网具有分散特性，网络本身并没有针对服务器的保护措施，一个无意的动作（像一脚踢掉网线的插头）就会让服务器与网络断开。通常，解决瓶颈问题采用的对策是提高服务器链路的容量，使其超出目前的需求。例如可以由快速以太网升级到千兆以太网。对于大型企业来说，采用升级技术是一种长远的、有前景的解决方案。然而对于许多企业，当需求还没有大到非得花费大量的金钱和时间进行升级时，使用升级技术就显得
4、大材小用了。在这种情况下，链路聚合技术为消除传输链路上的瓶颈与不安全因素提供了成本低廉的解决方案，链路聚合技术，将多个线路的传输容量融合成一个单一的逻辑连接。当原有的线路满足不了需求，而单一线路的升级又太昂贵或难以实现时，就要采用多线路的解决方案了。目前有 4 种链路聚合技术可以将多条线路“捆绑”起来。同步IMUX 系统工作在 T1/E1 的比特层，利用多个同步的 DS1 信道传输数据，来实现负载均衡。IMA 是另外一种多线路的反向多路复用技术，工作在信元级，能够运行在使用 ATM 路由器的平台上。用路由器来实现多线路是一种流行的链路聚合技术，路由器可以根据已知的目的地址的缓冲（cache）大
5、小，将分组分配给各个平行的链路，也可以采用循环分配的方法来向线路分发分组。多重链路 PPP，又称 MP 或 MLP，是应用于使用 PPP 封装数据链路的路由器负载平衡技术。MP 可以将大的 PPP 数据包分解成小的数据段，再将其分发给平行的多个线路，还可以根据当前的链路利用率来动态地分配拨号线路。这样做尽管速度很慢，因为数据包分段和附加的缓冲都增加时延，但可以在低速的线路上运行得很好。链路聚合系统增加了网络的复杂性，但也提高了网络的可靠性，使人们可以在服务器等关键 LAN 段的线路上采用冗余路由。对于 IP 系统，可以考虑采用 VRRP（虚拟路由冗余协议）。VRRP 可以生成一个虚拟缺省的网关
6、地址，当主路由器无法接通时，备用路由器就会采用这个地址，使 LAN 通信得以继续。总之，当主要线路的性能必需提高而单条线路的升级又不可行时，可以采用链路聚合技术。2、更高层交换大型的网络一般都是由大量专用技术设备组成的，如包括防火墙、路由器、第 2 层/3 层交换机、负载均衡设备、缓冲服务器和 Web 服务器等。如何将这些技术设备有机地组合在一起，是一个直接影响到网络性能的关键性问题。现在许多交换机提供第四层交换功能，可以将一个外部 IP 地址映射为多个内部 IP 地址，对每次 TCP 连接请求动态使用其中一个内部地址，达到负载均衡的目的。有的协议内部支持与负载均衡相关的功能，例如 HTTP
7、协议中的重定向能力。Web 内容交换技术，即 URL 交换或七层交换技术，提供了一种对访问流量的高层控制方式。Web 内容交换技术检查所有的 HTTP 报头，根据报头内的信息来执行负载均衡的决策，并可以根据这些信息来确定如何为个人主页和图像数据等内容提供服务。它不是根据 TCP 端口号来进行控制的，所以不会造成访问流量的滞留。如果 Web 服务器已经为图像服务、SSL 对话、数据库事务服务之类的特殊功能进行了优化，那么，采用这个层次的流量控制将可以提高网络的性能。目前，采用第七层交换技术的产品与方案，有黎明网络的 iSwitch、交换机，Cisco的 CDN（内容交换网络系统）等。3、服务器群
8、集解决方案在某些情况下，例如，某网站内部职员和外部客户同时使用网站，而公司要将内部职员的服务请求连接到一个较慢的服务器来为外部客户提供更多的资源，这时就可以使用 Web 内容交换技术。Web 主机访问控制设备也可以使用这种技术来降低硬件成本，因为它可以轻易地将访问多个主机的用户流量转移给同一个 Web 服务器。如果用户访问量增加到一定程度，这些流量还可以被转移到专用的 Web 服务器设备，虽然这种专用设备的成本较高，但是由于使用的是相同的 Web内容交换技术来控制流量，所以网络的结构框架就不用再进行改变了。但是，使用 Web 内容交换技术的负载均衡设备所能支持的标准和规则的数目有限，其采用的标
9、准和规则的灵活性也有限。另外，负载均衡设备所能监测到 HTTP 报头的深度也是限制内容交换能力的一个因素。如果所要找的信息在负载均衡设备所不能监测的字段内，那内容交换的作用就无法发挥。而且，内容交换还受到能够同时开启的 TCP 连接数量以及 TCP 连接的建立和断开比率的限制。另外，Web 内容交换技术还会占用大量的系统资源（包括内存占用和处理器占用）。对 Web 内容交换技术进行的测试表明，操纵 Web 内容的吞吐量是很费力的，有时只能得到很小的性能改进。所以，网络管理员必须认真考虑投入与回报的问题。如今，服务器必须具备提供大量并发访问服务的能力，其处理能力和 I/O 能力已经成为提供服务的
10、瓶颈。如果客户的增多导致通信量超出了服务器能承受的范围，那么其结果必然是宕机。显然，单台服务器有限的性能不可能解决这个问题，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 10 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百万个甚至更多请求的能力。这就是利用服务器群集实现负载均衡的最初基本设计思想。早期的服务器群集通常以光纤镜像卡进行主从方式备份。令服务运营商头疼的是关键服务器或应用较多、数据流量较大的服务器一般档次不会太低，而服务运营商花了两台服务器的钱却常常只得到一
11、台服务器的性能。新的解决方案见图，通过 LSANT（LoadSharingNetworkAddressTransfer）将多台服务器网卡的不同 IP 地址翻译成一个 VIP(VirtualIP)地址，使得每台服务器均时时处于工作状态。原来需要用小型机来完成的工作改由多台 PC 服务器完成，这种弹性解决方案对投资保护的作用是相当明显的既避免了小型机刚性升级所带来的巨大设备投资，又避免了人员培训的重复投资。同时，服务运营商可以依据业务的需要随时调整服务器的数量。网络负载均衡提高了诸如 Web 服务器、FTP 服务器和其他关键任务服务器上的因特网服务器程序的可用性和可伸缩性。单一计算机可以提供有限级
12、别的服务器可靠性和可伸缩性。但是，通过将两个或两个以上高级服务器的主机连成群集，网络负载均衡就能够提供关键任务服务器所需的可靠性和性能。为了建立一个高负载的 Web 站点，必须使用多服务器的分布式结构。上面提到的使用代理服务器和 Web 服务器相结合，或者两台 Web 服务器相互协作的方式也属于多服务器的结构，但在这些多服务器的结构中，每台服务器所起到的作用是不同的，属于非对称的体系结构。非对称的服务器结构中每个服务器起到的作用是不同的，例如一台服务器用于提供静态网页，而另一台用于提供动态网页等等。这样就使得网页设计时就需要考虑不同服务器之间的关系，一旦要改变服务器之间的关系，就会使得某些网页
13、出现连接错误，不利于维护，可扩展性也较差。能进行负载均衡的网络设计结构为对称结构，在对称结构中每台服务器都具备等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。然后，可以通过某种技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的每台服务器上，接收到连接请求的服务器都独立回应客户的请求。在这种结构中，由于建立内容完全一致的 Web 服务器并不困难，因此负载均衡技术就成为建立一个高负载 Web 站点的关键性技术。总之，负载均衡是一种策略，它能让多台服务器或多条链路共同承担一些繁重的计算或 I/O 任务，从而以较低成本消除网络瓶颈，提高网络的灵活性和可靠性。二、负载均衡技术分类二、负载均衡技术分
14、类目前有许多不同的负载均衡技术用以满足不同的应用需求，下面从负载均衡所采用的设备对象、应用的网络层次（指 OSI 参考模型）及应用的地理结构等来分类。1、软/硬件负载均衡软件负载均衡解决方案是指在一台或多台服务器相应的操作系统上安装一个或多个附加软件来实现负载均衡，如 DNSLoadBalance，CheckPointFirewall-1ConnectControl 等，它的优点是基于特定环境，配置简单，使用灵活，成本低廉，可以满足一般的负载均衡需求。软件解决方案缺点也较多，因为每台服务器上安装额外的软件运行会消耗系统不定量的资源，越是功能强大的模块，消耗得越多，所以当连接请求特别大的时候，软
15、件本身会成为服务器工作成败的一个关键；软件可扩展性并不是很好，受到操作系统的限制；由于操作系统本身的 Bug，往往会引起安全问题。硬件负载均衡解决方案是直接在服务器和外部网络间安装负载均衡设备，这种设备我们通常称之为负载均衡器，由于专门的设备完成专门的任务，独立于操作系统，整体性能得到大量提高，加上多样化的负载均衡策略，智能化的流量管理，可达到最佳的负载均衡需求。负载均衡器有多种多样的形式，除了作为独立意义上的负载均衡器外，有些负载均衡器集成在交换设备中，置于服务器与 Internet 链接之间，有些则以两块网络适配器将这一功能集成到 PC 中，一块连接到 Internet 上，一块连接到后端
16、服务器群的内部网络上。一般而言，硬件负载均衡在功能、性能上优于软件方式，不过成本昂贵。2、本地/全局负载均衡负载均衡从其应用的地理结构上分为本地负载均衡(LocalLoadBalance)和全局负载均衡(GlobalLoadBalance，也叫地域负载均衡)，本地负载均衡是指对本地的服务器群做负载均衡，全局负载均衡是指对分别放置在不同的地理位置、有不同网络结构的服务器群间作负载均衡。本地负载均衡能有效地解决数据流量过大、网络负荷过重的问题，并且不需花费昂贵开支购置性能卓越的服务器，充分利用现有设备，避免服务器单点故障造成数据流量的损失。其有灵活多样的均衡策略把数据流量合理地分配给服务器群内的服务器共同负担。即使是再给现有服务器扩充升级，也只是简单地增加一个新的服务器到服务群中，而不需改变现有网络结构、停止现有的服务。全局负载均衡主要用于在一个多区域拥有自己服务器的站点，为了使全球用户只以一个 IP 地址或域名就能访问到离自己最近的服务器，从而获得最快的访问速度，也可用于子公司分散站点分布广的大公司通过 Intranet（企业内部互联网）来达到资源统一合理分配的目的。全局负载均
