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运用网络地址转化完结多效劳器负载均衡
摘要:本文探讨了分布式网络效劳器运用的负载均衡技能及负载分配的战略,并依据网络地址转化在FreeBSD上完结了负载均衡网关,运用于咱们的Internet网络效劳器上,将负载分给多个效劳器分管,以处理Internet效劳器面临的许多并发拜访形成的CPU或I/O的高负载问题。为了到达最佳的负载均衡效果,负载操控器需求依据各个效劳器的当时CPU和I/O状况来分配负载,这就需求动态监督效劳器的负载,并运用优化的负载分配战略,到达平均分配负载的意图。

关键字: 负载均衡,网络地址转化,FreeBSD


1. 导言

Internet的快速增长使多媒体网络效劳器面临的拜访数量快速添加,效劳器需求具有供给许多并发拜访效劳的才干,效劳器的处理和I/O才干成为了供给效劳的瓶颈。因为单台效劳器的功用总是有限的,有必要选用多效劳器和负载均衡技能才干满意许多并发拜访的需求。

最早的负载均衡技能是经过DNS来完结的,在DNS中为多个地址装备同一个姓名,因而查询这个姓名的客户机将得到其间一个地址,然后使得不同的客户拜访不同的效劳器,到达负载均衡的意图[1]。DNS负载均衡是一种简略而有用的方法,可是它不能区别效劳器的差异,也不能反映效劳器的当时运转状况。

反向署理效劳器能够将恳求转发给内部Web效劳器,假如署理效劳器能够将恳求均匀转发给多台内部效劳器,就能到达负载均衡的意图[2]。反向署理方法下能运用优化的负载均衡战略,每次拜访最闲暇的内部效劳器来供给效劳。可是跟着并发衔接数量的添加,署理效劳器自身的负载也变得十分大,最终反向署理效劳器自身会成为效劳的瓶颈。

支撑负载均衡的地址转化网关中能够将一个外部IP地址映射为多个内部IP地址,对每次TCP衔接恳求动态运用其间一个内部地址,到达负载均衡的意图[3]。许多硬件厂商将这种技能集成在他们的交流机中,作为他们第四层交流的一种功用来完结,一般选用随机挑选、依据效劳器的衔接数量或许呼应时刻进行挑选的负载均衡战略来分配负载。但是硬件完结的负载操控器灵敏性不强,不能支撑更优化的负载均衡战略和更杂乱的运用协议。

除了这三种负载均衡方法之外,有的协议内部支撑与负载均衡相关的功用,例如HTTP协议中的重定向才干等,但它依赖于特定协议,因而运用范围有限。依据现有的这些负载均衡技能,咱们挑选了运用软件方法完结网络地址转化的负载均衡的方法,以补偿硬件负载均衡器的不灵敏,并运用优化的均衡战略来完结后端效劳器负载分管的最优状况。


2. 负载均衡战略

为了将负载均匀的分配给内部的多个效劳器上,就需求运用必定的负载均衡战略。传统的负载均衡战略并没有考虑到效劳恳求的不同类型、后台效劳器的不同才干以及随机挑选形成的负载分配不均匀等问题。为了使得负载分配十分均匀,就要运用能够正确反映各个效劳器CPU及I/O状况的负载均衡战略[4]。

客户建议的效劳恳求类型是多种多样的,依照对处理器、网络和I/O的资源要求,能够简略的将它们分为两个不同类别,以便运用不同的处理战略:



静态文档恳求:例如一般的文本、图象等静态多媒体数据,它们对处理器负载影响不大,形成的磁盘I/O负载与文档的巨细成正比,主要对网络I/O形成压力。


动态文档恳求:更为常见的恳求常常需求效劳器预先进行处理,例如搜索数据库、紧缩解紧缩多媒体文件等,这些恳求需求相当大的处理器和磁盘I/O资源。


关于静态文档,每个效劳进程占用大致相同的体系资源,因而就能够运用进程数来表明体系负载。而动态文档效劳需求进行额定的处理,其占用的体系资源就超越处理静态恳求,因而需求运用一个权重来表明。这样一个最简略的效劳器负载表明公式就为:

其间L为效劳器的负载,Ns为静态文档效劳进程数,Nd为动态文档效劳进程数,而a为每个动态文档效劳相关于静态文档效劳的权重,能够在10到100之间进行挑选。

在这个公式中没有考虑效劳器硬件的约束,当到达硬件约束的时分,因为资源严重,效劳器的负载就会显着添加。例如因为效劳器内存巨细的约束,一些进程就要被交流到硬盘上,使得体系负载敏捷添加。考虑了体系硬件约束,则效劳器的负载能够表明为:

新添加的参数 Ll表明这个效劳器一般负荷的极限,它要依据每个效劳器自身的硬件才干来设置。而b表明超出正常负载时用来约束分配给效劳器使命的权重,应该设置为大于Ll的数值,以表明硬件约束效果。通常在一个效劳器集群中,硬件设置越差的效劳器这个权重越要设置的大,以防止在一切的效劳器都超负载运转时,硬件最差的效劳器反而负载最高。因而b是和本效劳器硬件约束Ll成反比的,则b能够设置为:

Llmax为效劳器集群中最高硬件装备的效劳器的Ll值。当确认了每个效劳器的负载之后,中心操控负载分配的效劳器就能将负载正确的分发给最闲暇的效劳器,然后不会象其他的负载分配战略那样会导致负载分配不均匀的状况。


3. 完结方法及试验成果

咱们的效劳器体系由运用快速以太网衔接起来的多台FreeBSD体系组成。每台后端效劳器上运转一个看护进程来动态取得自己的负载状况,而运用FreeBSD完结的中心操控网关就经过这些看护进程改写各个效劳器的负载,以进行正确的负载分配。

3.1支撑负载均衡的网关

在FreeBSD体系下,供给了divert接口以支撑网络地址转化才干。IP数据包经过体系内核的ipfw过滤功用被发送到divert接口中,以便外部看护进程natd能接纳原始数据包,处理之后再发回体系内核进行正常的IP分发[5]。

因而依据FreeBSD的地址转化结构,能够创立自己的网络地址转化看护进程,以支撑负载均衡功用,这样就能将FreeBSD体系作为一个支撑负载均衡的网关。因为它是软件完结的方法,很简略支撑非标准的协议及运用优化的负载均衡战略,具有很大的灵敏性。

3.2试验及剖析

为测验这种完结的可用性,咱们针对最常见的HTTP协议进行咱们的测验试验。为了区别不同的恳求品种,规划了三个不同类型的测验,以测验不同方面的功用。



CGI程序发生的动态文档:用于测验在效劳器的处理才干的负载均衡状况。


小型静态文档:运用尺度较小的静态文档,用于测验频频衔接下负载均衡的状况;


大型静态文档:运用较大的文档,测验磁盘及网络I/O的负载均衡状况;


测验成果以单台效劳器每秒钟完结恳求的功用为基准,显现运用多台效劳器进行负载均衡时每秒种完结的恳求数与基准恳求次数的比率。



图1:负载均衡功用



从上图中的第一条曲线a是处理动态文档恳求的,此刻跟着效劳器数量的添加,其功用是成倍添加的;而第二条曲线b为处理小尺度静态文档恳求的,在运用三台效劳器时功用改进就不显着了;而处理大尺度静态文档恳求的第三条曲线c则简直没有发生功用改变。为了找到负载均衡体系达不到抱负状况的原因,咱们调查了效劳器资源的利用率:

表1.效劳器资源的利用率


处理类型
负载均衡网关
效劳器1
效劳器2
效劳器3

a
53%
97%
95%
98%

b
76%
43%
39%
41%

c
94%
32%
31%
35%




从这个表中能够看出,当处理动态文档a时三台效劳器都处于全速运转状况,负载被均匀分配,这是一种抱负的状况。当处理静态文档类型b和c时,负载尽管被均匀分配给三台效劳器,但每台效劳器都没有处于全速运转状况。尤其在处理大尺度文档时,负载均衡设备中的natd进程则占有了大部分处理资源。因为一切的网络流量都要经过它进行转化,因而在网络流量和并发衔接数量相当大时,natd进程的负载就添加上去了。试验中运用不同数量的后端效劳器时,流经负载均衡网关的实践网络带宽为:

表2:供给大尺度文档时效劳器集群的带宽


效劳器数量
1台
2台
3台

网络速度(Kb/s)
10042.14
11015.10
11442.67




能够看出带宽约束在10MB/s左右,明显这是这个测验运用的负载均衡进程的带宽约束,事实上该程序运用了链表来保护网络地址转化的状况,这就大大约束了它的网络功用,经过进步硬件功用和改进算法,完全能够进一步进步其功用。


4.评论

从上面的试验中能够看出,依据网络地址转化的负载均衡器能够有用的处理效劳器端的CPU和磁盘I/O负载,但是负载均衡器自身的功用受网络I/O的约束,在必定硬件条件下具有必定的带宽约束,但能够经过改进算法和进步运转负载均衡程序的硬件功用,来进步这个带宽约束。一起也能够看出,不同的效劳类型对不同的效劳器资源进行占用,咱们运用的负载衡量战略是运用同一个负载进行评价,这关于大多数条件是合适的,但是最好的方法是针对不同的资源,如CPU、磁盘I/O或网络I/O等,别离监督效劳器负载,由中心操控器挑选最合适的效劳器分发客户恳求。咱们今后的作业将从这两个方面下手,完善这个负载均衡操控器。


参考文献:


[1] E.Kata,M.Butler, and R. McGrath. A scalable HTTP server: the ncsa prototype. Computer Networks and ISDN systems. 1994. Vol 27, P155-164

[2] Ralf S.Engelschall. Load Balancing Your Web Site. Web Techniques Magazine (http://www.WebTechniques.com), May 1998. vol.3, iss.5

[3] CICSO. LocalDirector Documents. http://www.cisco.com, 1997

[4] H.Zhu. T.Yang, Q.Zheng, D.Watson, O.H.Ibarra, andT.Smith, Adaptive load sharing for clustered digital library servers. Technical Report, CS, UCSB, 1998.

[5] FreeBSD core team. natd and divert manual pages. http://www.freebsd.org. 1995



Implement a load balancing gateway by NAT


Wang, Bo

NongYe Road 70, ZhengZhou, 450002, P.R.China

wb@email.online.ha.cn


Abstract: This paper investigates load balancing techniques and strategies, and implements a load balancing gateway based NAT for our Internet servers. The Internet servers involve the high load of CPU and I/O by simultaneous access requests, the symmetrical clustered servers can distribute the server load to solve the problem. To balance the load in the best way, the gateway distributes the load according to the status of server's CPU and I/O. The gateway must monitor every server's load and apply the best scheme to delivery every request, so it can provide the high performance for Internet services.

Keywords: load balancing, NAT, FreeBSD



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