| 網絡載量平衡原理與算法 [Winmag] 作者: Slhhacker 1. 網絡負載平衡 一般情況下，集羣的服務節點可以提供諸如處理器負載，應用系統負載、活躍用戶數、可用的網絡協議緩存以及其他的資源信息。信息通過高效的消息機制傳給平衡器，平衡器監視所有處理節點的狀態，主動決定下個任務傳給誰。平衡器可以是單個設備，也可以使一組平行或樹狀分佈的設備。 本質上講，網絡負載平衡是分佈式作業調度系統的一種實現。平衡器作爲網絡請求分配的控制者，要根據集羣節點的當前處理能力，採用集中或分佈策略對網絡服務請求進行調配，並且在每個服務請求的生命週期裏監控各個節點的有效狀態。一般的說，平衡器對請求的調度具備以下的特徵： 網絡服務請求必須是可管理的 請求的分配對用戶是透明的 最好能夠提供異構系統的支持 能夠依據集羣節點的資源情況進行動態分配和調整 負載平衡器在集羣的各個服務節點中分配工作負載或網絡流量。可以靜態預先設置或根據當前的網絡狀態來決定負載分發到哪個特定的節點，節點在集羣內部可以互相連接，但它們必須與平衡器直接或間接相連。 網絡平衡器可以認爲是網絡層次上的作業調度系統，大多數網絡負載平衡器能夠在網絡的相應層次上實現單一系統映像，整個集羣能夠體現爲一個單一的IP地址被用戶訪問，而具體服務的節點對用戶而言是透明的。這裏，平衡器可靜態或動態配置，用一種或多種算法決定哪個節點獲得下一個網絡服務請求。 2. 網絡平衡原理 在TCP/IP協議中，數據包含有必要的網絡信息，因而在網絡緩存或網絡平衡的具體實現算法裏，數據包的信息很重要。但由於數據包是面向分組的（IP）和面向連接的（TCP），且經常被分片，沒有與應用有關的完整信息，特別是和連接會話相關的狀態信息。因此必須從連接的角度看待數據包——從源地址的端口建立到目的地址端口的連接。 平衡考慮的另一個要素就是節點的資源使用狀態。由於負載平衡是這類系統的最終目的，那麼及時、準確的把握節點負載狀況，並根據各個節點當前的資源使用狀態動態調整負載平衡的任務分佈，是網絡動態負載平衡集羣系統考慮的另一關鍵問題。 一般情況下，集羣的服務節點可以提供諸如處理器負載，應用系統負載、活躍用戶數、可用的網絡協議緩存以及其他的資源信息。信息通過高效的消息機制傳給平衡器，平衡器監視所有處理節點的狀態，主動決定下個任務傳給誰。平衡器可以是單個設備，也可以使一組平行或樹狀分佈的設備。 3. 基本的網絡負載平衡算法 平衡算法設計的好壞直接決定了集羣在負載均衡上的表現，設計不好的算法，會導致集羣的負載失衡。一般的平衡算法主要任務是決定如何選擇下一個集羣節點，然後將新的服務請求轉發給它。有些簡單平衡方法可以獨立使用，有些必須和其它簡單或高級方法組合使用。而一個好的負載均衡算法也並不是萬能的，它一般只在某些特殊的應用環境下才能發揮最大效用。因此在考察負載均衡算法的同時，也要注意算法本身的適用面，並在採取集羣部署的時候根據集羣自身的特點進行綜合考慮，把不同的算法和技術結合起來使用。 3.1 輪轉法 輪轉算法是所有調度算法中最簡單也最容易實現的一種方法。在一個任務隊列裏，隊列的每個成員（節點）都具有相同的地位，輪轉法簡單的在這組成員中順序輪轉選擇。在負載平衡環境中，均衡器將新的請求輪流發給節點隊列中的下一節點，如此連續、周而復始，每個集羣的節點都在相等的地位下被輪流選擇。這個算法在DNS域名輪詢中被廣泛使用。 輪轉法的活動是可預知的，每個節點被選擇的機會是1/N，因此很容易計算出節點的負載分佈。輪轉法典型的適用於集羣中所有節點的處理能力和性能均相同的情況，在實際應用中，一般將它與其他簡單方法聯合使用時比較有效。 3.2 散列法 散列法也叫哈希法（HASH），通過單射不可逆的HASH函數，按照某種規則將網絡請求發往集羣節點。哈希法在其他幾類平衡算法不是很有效時會顯示出特別的會話的情況下，由於輪轉法和其他幾類基於連接信息的算法，無法識別出會話的起止標記，會引起應用混亂。 而採取基於數據包源地址的哈希映射可以在一定程度上解決這個問題：將具有相同源地址的數據包發給同一服務器節點，這使得基於高層會話的事務可以以適當的方式運行。相對稱的是，基於目的地址的哈希調度算法可以用在Web Cache集羣中，指向同一個目標站點的訪問請求都被負載平衡器發送到同一個Cache服務節點上，以避免頁面缺失而帶來的更新Cache問題。 3.3 最少連接法 在最少連接法中，平衡器紀錄目前所有活躍連接，把下一個新的請求發給當前含有最少連接數的節點。這種算法針對TCP連接進行，但由於不同應用對系統資源的消耗可能差異很大，而連接數無法反映出真實的應用負載，因此在使用重型Web服務器作爲集羣節點服務時（例如Apache服務器），該算法在平衡負載的效果上要打個折扣。爲了減少這個不利的影響，可以對每個節點設置最大的連接數上限（通過閾值設定體現）。 3.4 最低缺失法 在最低缺失法中，平衡器長期紀錄到各節點的請求情況，把下個請求發給歷史上處理請求最少的節點。與最少連接法不同的是，最低缺失記錄過去的連接數而不是當前的連接數。 3.5 最快響應法 平衡器記錄自身到每一個集羣節點的網絡響應時間，並將下一個到達的連接請求分配給響應時間最短的節點，這種方法要求使用ICMP包或基於UDP包的專用技術來主動探測各節點。 在大多數基於LAN的集羣中，最快響應算法工作的並不是很好，因爲LAN中的ICMP包基本上都在10ms內完成迴應，體現不出節點之間的差異；如果在WAN上進行平衡的話，響應時間對於用戶就近選擇服務器而言還是具有現實意義的；而且集羣的拓撲越分散這種方法越能體現出效果來。這種方法是高級平衡基於拓撲結構重定向用到的主要方法。 3.6 加權法 加權方法只能與其他方法合用，是它們的一個很好的補充。加權算法根據節點的優先級或當前的負載狀況（即權值）來構成負載平衡的多優先級隊列，隊列中的每個等待處理的連接都具有相同處理等級，這樣在同一個隊列裏可以按照前面的輪轉法或者最少連接法進行均衡，而隊列之間按照優先級的先後順序進行均衡處理。在這裏權值是基於各節點能力的一個估計值。 4. 動態反饋負載均衡 當客戶訪問集羣資源時，提交的任務所需的時間和所要消耗的計算資源是千差萬別的，它依賴於很多因素。例如：任務請求的服務類型、當前網絡帶寬的情況、以及當前服務器資源利用的情況等等。一些負載比較重的任務需要進行計算密集的查詢、數據庫訪問、很長響應數據流；而負載比較輕的任務請求往往只需要讀一個小文件或者進行很簡單的計算。 對任務請求處理時間的不同可能會導致處理結點利用率的傾斜（Skew），即處理結點的負載不平衡。有可能存在這樣情況，有些結點已經超負荷運行，而其他結點基本是閒置着。同時，有些結點已經忙不過來，有很長的請求隊列，還不斷地收到新的請求。反過來說，這會導致客戶長時間的等待，而集羣整體的服務質量下降。因此，有必要採用一種機制，使得平衡器能夠實時地瞭解各個結點的負載狀況，並能根據負載的變化做出調整。 具體的做法上採用了基於負反饋機制的動態負載均衡算法，該算法考慮每一個結點的實時負載和響應能力，不斷調整任務分佈的比例，來避免有些結點超載時依然收到大量請求，從而提高單一集羣的整體吞吐率。 在集羣內，負載均衡器上運行服務端監控進程，監控進程負責監視和收集集羣內各個結點的負載信息；而每個結點上運行客戶端進程，負責定時向均衡器報告自身的負載狀況。監控進程根據收到的全部結點的負載信息來進行同步操作，既對將要分配的任務按照權值得比例重新進行分佈。權值得計算主要根據各個結點的CPU利用率、可用內存以及磁盤I/O狀況計算出新的權值，若新權值和當前權值的差值大於設定的閥值，監控器採用新的權值對集羣範圍內的任務重新進行分佈，直到下一次的負載信息同步到來之前。均衡器可以配合動態權值，採用加權輪詢算法來對接受的網絡服務請求進行調度。 4.1 加權輪詢調度 加權輪詢調度（Weighted Round-Robin Scheduling）算法用相應的權值表示結點的處理性能。該算法根據權值的高低順序並按照輪詢的方式將任務請求分配到各結點。權值高的結點比權值低的結點處理更多的任務請求，相同權值的結點處理相同份額的請求。加權輪詢的基本原理可描述爲： 假設某集羣內有一組結點N = {N0, N1, …, Nn-1}，W(Ni)表示結點Ni的權值， 一個指示變量i表示上一次選擇的服務器，T（Ni）表示結點Ni當前所分配的任務量。 ∑T(Ni) 表示當前同步週期需要處理的任務總量。 ∑W(Ni) 表示結點的權值總和。 則： W(Ni)/ ∑W(Ni)= T(Ni)/ ∑T(Ni) 表示任務的分配是按照各個結點權值佔權值總數的比例來進行分配。 4.2 權值計算 當集羣的結點初次投入系統中使用時，系統管理員根據結點的硬件配置情況對每個結點都設定一個初始權值DW（Ni）（通常根據結點的硬件配置來定義，硬件配置越高的結點默認值越高），在負載均衡器上也先使用這個權值。然後，隨着結點負載的變化，均衡器對權值進行調整。 動態權值是由結點運行時各方面的參數計算出來的。我們在實驗中選取了最重要幾項，包括：CPU資源，內存資源，當前進程數，響應時間等信息作爲計算公式的因子。結合每個結點當前的權值，可以計算出新的權值的大小。動態權值目的是要正確反映結點負載的狀況，以預測結點將來可能的負載變化。對於不同類型的系統應用，各個參數的重要程度也有所不同。典型的Web應用環境下，可用內存資源和響應時間就非常重要；如果用戶以長的數據庫事務爲主，則CPU使用率和可用內存就相對重要一些。爲了方便在系統運行過程中針對不同的應用對各個參數的比例進行適當調整，我們爲每一個參數設定一個常量係數 Ri ，用來來表示各個負載參數的重要程度，其中Σ Ri = 1。因此，任何一個結點Ni的權值公式就可以描述爲： LOAD(Ni)=R1*Lcpu(Ni)+R2*Lmemory(Ni)+R3*Lio(Ni)+R4*Lprocess(Ni)+R5*Lresponse(Ni) 其中Lf(Ni) 表示結點Ni 當前某一項參數的負載值， 上述公式中依次表示爲：CPU使用率、內存使用率、 磁盤I/O訪問率、進程總數以及響應時間。 例如，在WEB服務器集羣中，我們採用以係數{0.1, 0.4, 0.1, 0.1, 0.3}，這裏認爲服務器的內存和請求響應時間較其他參數重要一些。若當前的係數Ri不能很好地反映應用的負載，系統管理員可以對係數不斷地修正，直到找到貼近當前應用的一組係數。 另外，關於採集權值的週期置，雖然很短的週期可以更確切地反映各個結點的負載，但是很頻繁地採集（如1秒1次或者多次）會給均衡器和結點帶來負擔，也可能增加不必要的網絡負荷。另外，由於採集器是在採集時刻進行負載計算的，經實驗證明，均衡器反映出來各個結點的負載信息會出現劇烈的抖動，均衡器無法準確捕捉結點真實的負載變化趨勢。因此解決這些問題，一方面要適當地調整採集負載信息的週期，一般在5～10秒；另一方面，可以使用移動平均線或者是滑動窗口來避免抖動，使得均衡器收集到的負載信息表現爲平滑曲線，這樣在負反饋機制的調整效果上就會比較好。 均衡器的動態權值採集程序週期性地運行，若缺省權值不爲零，則查詢該結點的各負載參數，並計算出動態權值LOAD(Ni) 。我們引入以下權值計算公式，結合結點的初始權值和採集的動態權值來計算最終的權值結果。 Wi = A*DW(Ni)+B*(LOAD(Ni)-DW(Ni))1/3 在公式中，如果動態權值恰好等於初始權值，最終權值不變，則說明系統的負載狀況剛好達到理想狀況，等於初始權值DW(Ni)。如果動態權值計算結果高於初始權值，最終權值變高，則說明系統負載很輕，均衡器將會增加分配給該結點的任務比率。如果動態權值低於初始權值，最終權值變低，說明系統開始處於重載狀況，均衡器將會減少對該結點分配的任務。在實際使用中，若發現所有結點的權值都小於他們的DW(Ni)，則說明當前個集羣處於超載狀態，這時需要加入新的結點到集羣中來處理部分負載；反之，若所有結點的權值大大高於DW(Ni)，則說明當前系統的負載都比較輕。 5. 總結 網絡負載平衡是集羣作業調度系統的具體實現。由於其處理的作業單元是TCP/IP協議下的網絡連接，因此可以採用面向網絡連接的集中基本調度算法。考慮集羣負載不平衡的可能，採取了動態獲取服務節點的權值並使用負反饋機制調整平衡器對網絡服務請求的分佈，以適應服務節點在運行過程中資源的變化。筆者也在LVS集羣系統的基礎上，配合原有的輪詢算法對其進行改進，增加了採集動態權值的程序並實時反饋到負載平衡器的調度系統上。實踐證明，採用動態平衡在集羣系統的整體吞吐量方面有所提高，特別是在集羣各個節點性能不一，集羣提供的網絡服務程序所訪問的資源多樣化的情況下，負反饋機制的效果尤其明顯。在其他類型的集羣中，負反饋機制的動態負載平衡也能夠得到很好的應用，只是平衡器所處理的作業單元不同於網絡連接，而具體的負載算法上也將有所不同。 http://www.rj45.com.cn/ReadNews.asp?NewsID=832 |
