（模式识别与智能系统专业论文）一种集群系统的体系结构及其负载均衡方法研究.pdf

摘要 随着高速网络和处理器开始成为商品化硬件，价格可以承受并且合理高效的 集群系统似乎无处不在了。因为低价、高性能的处理机和内存，加上分布式计算 系统的高性能和高可靠性，所以分布式计算是实现实时应用的理想选择。 在现存网络系统中，许多热门网站的服务器经常由于体系结构或者任务分配 方法的不恰当而导致服务器在面临网络上的突发访问量时，服务器不能处理或者 不能及时处理大量的用户访问而瘫痪( 或者不能及时响应用户的请求) 。本文针 对这种情况，使用超立方体体系结构对w 曲服务器进行集群，并使用伙伴集理 论以及对伙伴集节点产生优先列表的方法对服务器集群系统的负载进行一定的 调整。通过使用这些方法使整个服务器集群系统能够实现一定程度的负载均衡， 并且让服务器集群系统不至于把负载“倾泻”于服务器中的某些节点，而其它的 一些节点由于得不到任务而处于轻载：状态。通过使用本文所描述的方法和服务器 集群体系结构，w 曲服务器集群系统能够在一定的程度上满足用户的需求，有一 定的伸缩性和处理突发访问量的能力。 通过对访问某些网站的访问数据和参考相关文献得出用户访问网站的访问 模型。在得到相应的用户访问模型后，我们根据生灭过程可以得出要满足一定的 可用性条件的情况下，我们应该在服务器集群系统中配置的服务器数量。通过计 算出这些服务器的数量，我们并结合一定的集群系统拓扑结构对这些服务器进行 集群。本文在建立了相应的服务器集群系统后，使用p e t r i 网对本集群系统的模 型进行一定的描述，分别描述了用户访问模型、服务器集群系统模型、服务器负 载分配模型，并在最后对服务器响应时间和服务器任务队列长度运用排队论理论 的方法进行一定量的仿真。 关键字：分布式系统、集群系统、p e 撕、系统仿真、伙伴集、负载均衡 a b s t r a c t w i n lt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e fa n dc o n l p u t e rn e “o r k ，血ep r i c eo fc o m p u t e r a n di t sc o m d o n e mb e c o m e1 0 w e ln i sp o s s i b l en o wt ou t i l i z ea1 0 to fc o m p u t e r st o f i n i s hs o m ew o r kw h i c hc 黝o tb ef i n i s h e do rc o m p l e t e l yd o n eb ys i n g l ep o w e r m l c o m p u t e li i l 也i sp a p e r ，w ew i l li n t r o d u c eaa r c h i t e c t u r eo fac l u s t e rs y s t e m 在o m v i e w d o i n t so fs o f 、a r ea i l dh a r d w a r e ，e m p h a t i c a l l yd i s c u s ss o m ek e yt e c l l 工l o l o g i e s u s e dw h e nd e p l o y i n gac l u g c e rs y s t e m ，s u c h a s s c a l a b i l i 吼a v a i l a b i l i 可，r e s o u r c e m a n a g e m e n t a n dl o a d b a l a i l c i n g w ea l lk n o wt h a to n eo ft h em o s ti m p o r t a mf a c t o r sh a m p e r i n gt h ea p p l i c a t i o no f w e bs i t ei st h eh i g hr e s p o n s et i m et ot h e u s e rr e q u e s t ，w h j c h h j n d e r i n gt h e d e v e l o p m e mo f a p 口l i c a t i o n sb a s e do ni m e m e t c l u s t e rs y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yr e c o g i l i z e db yc u r r e n tr e s e a r c h 蛆di n d u s t 吼 c l u s t e rs y s t e mi s v e r yu s e f u l i nm o s to f 也es i t i i a t i o ns u c ha ss u p e rm a i n 鱼l n l e ， d i s 埘b u t c dd a t a b a s es y s t e ma n ds o m eb 适n e t w o r kw e bs e r v e r i nt h j s p a p e r w e i n s t a n c ea 1 1e x a m p l eo f4 - n o d ec l u s 把rs y s t e mt oi i l 啪i n a t eaw a yt oi m p r o v em e p e 矗o r i n a n c eo ft 圮t r a d i t i o n a lw e b s e r v e r sa n du s em e m b e r s k p g r o u pt or e d u c et h e i n f o r m a t i o n 锄o l l l l tw h i c hb r o a d c a s tm es y s t c ms t a t eo fa 1 1m ec l u s t e rs y s t e mn o d e a tn r s t ，w eu s ea r e q u e s t - d i s m b u t i n gn o d e t od i s p a t c ht h er e q u e s t 丘o mt 1 1 ew e b ，a n d 血er e q u e s t d i s p a t 出n gn o d ed i s p a t c ht h eu s e r r e q u e s tt oa 1 1c l u s t e rs y s t e m 、v e bs e n 吧r n o d e sa c c o r d i n gt h en u m b c rr e q u e s ta n dt 1 1 es u mo fa l lr e q u e s ts e r v et i m eo fe v e r y c l u s t e rs y s t e mn o d e i nt 1 1 i s w a y ，m er e q u e s t d i s p a t c l l i n gn o d ed i s p a t c ht h ef i r s t a r r i v e dr e q u e s tt ot h en o d ew h j c hh a sl m l eu s e rr e q u e s ta n ds e r v et 妇e w h e na l lu s e r r e q u e s t sa r ed i s p a t c h e do ra 1 1s e r v e rr e q u e s tq u e u e sa r e 如l l ，m er e q u e s t - d i s p a t c h j n g n o d es t o pd i s p a t c h i n gt l s e rr e q u e s tt ow a i tn e wu s c rr e q u e s t w h e n e v e ran e w u s e r r e q u e s ta r r i v ea 1 1 dn o1 e s s 也a i lo n ec l u s t e rs y s t e mn o d e sr e q u e s tq u e u ei sn o t 如1 1 ，i t s t a r tw o r k i i l ga g a i n s e c o n d ，w eu s em e m b e r s l l i p 伊o u pt or e d u c et h ei n f o n n a t i o n a m o u n to f 也ea l lc l u s t e rs y s t e m w i t h o u t l l s i n gm e m b e r s h j p 擎o u p ，m ec l u s t e rs y s t e m d 1 1b r o a d c a s tt h es t a t ei 1 1 f b 瑚a t i o na te a c hs y s t e mc l o c ka n di tw i l lt m l l s m i ta b o u t 一1 ) “p i e c e s o fn o d es t a t ei b m a t i o na te a c hs y s t e mw h i c hw i l l b m u 时l tg r e a t s y s t e mb u r d e n t l r o u g hu s i n gm e m b e r s l l i pf o u p ，an o d eo n l yc o i m n u l l i c a t e 谢mi t s m e m b e r s h i pn o d ea i l ds h a r e 也er e q u e s tw 砒li t sm e m b e r s h 岫n o d ew h e ni ti si nh e a w s y s t e mb u r d e n i nm i sw a y ，、ec a nb a l a n c et h e1 0 a do f ah e a ws y s t e mb u r d e nn o d et o i t sm e m b e r s h i pn o d e ，b e c a t i s ew ec h o o s e 1 em e m b e r s h i pn o d e a c c o r d i n g 也ef a c t o r s o ip h y s l c sa j l d g r o u pm e mb ys o m en i l e s ，t h eh e a v yb u r d e nn o d e 谢1 ls h a r et h e b u r d e nw i t ht h en o d ew h i c hi si t sn e i g h b o rt o 王l i r n w h e nt h e f i r s tm e m b e r s 王l i 口n o d eo f t h eh e a v yb u r d e nn o d ei sm 1 1 o f r c q u e s t ，m eh e a 、，yb u r d e nn o d e 、v i us h a r et h er e q u e s t w m t ss e c o n dm e m b e r s h i pn o d e ，a i l ds oo n a c c o r d i n gt os o m em l e s ，w ea r r a n g e e a c hc l u s t e r s y s t e mr l o d ei nd i 丘b r e n to r d e rw h j c hm a k ed i 髓r e n tn o d e sb u r d e n r e q u e s tq u e u ed i 任色r e n t i nt h i sw a mw ec a na v o i dt h i ss i t u a t i o nt h a ta l lb e a wb u r d e n n o d e sd l s p a t c h l n gt h eu s e rr e q u e s tt ot h es 锄en o d ea n dm a k e t h er e q u e s t r e c e i v i n g n o d esr e q u e s tq u e u em i lo w l n gt om a k et h em e m b e r s h i pn o d e g r o u pb eo v e r l a pi n s o m ew a y ，w ec a nm a k e _ 【h ec i u s t e rs y s t e ml o a db a l a l l c e i ns o m ed a no ft h es v s t e m f i r s t l vw h e n a 1 1t 1 1 en o d e si nt h es 跏em e m b e r s h i p sr e q u e s tq u “ea r e 如1 1 ，a l ln o d e s i nt h em e m b e r s h j pg r o u pw i i ls h a r em e i rb u r d e ni nt h e i rm e m b e r s h i pg r o u p r e s p e c t i v e l y ，w h i c hw i l lm 出t h eb u r d e ns h a r e di na l lc l u s t e rs v s t 蹦1 t h i sp a p e rd i s c u s s e sa i l dp r o v i d e s 血er e q u e s td i s p a t c l l i n ga n ds e l e c t i l l gs c h e m e s f o rw 曲s e e rc l u s t e r sa n d 血es t o c h a s t i c1 1 i g hl e v e lp e t r in e tm o d e l sf o rt h o s e s c h e m e s 1 1 1 i sp 印e rf o c u s e so nt 1 1 e s es c h e m e s ，t h e i rp e r f b r i n a n c em o d e l sa n d a n a l y s i s m o r e o v e w ea p p l i e da p p x i m a t ea n a l y s i st e c h n i q u et os i m l l l a t et h ep e o n n a n c eo f t h ew e bc l u s t e rs y s t e mm o d e l s ，t l 】er e q u e s td i s p 砒c m n g 锄ds e l e c ts c h e m e s ：“h a s i m p r o v e dm ep e r f b n n a n c eo f 也ew 曲s e r v e r2 r e 砒l y k 口w o r d ：d i s t r i b u t c ds y s t e m ，c l u s t e rs y s t e m ，s y s t e ms i m u l a t i o n ，l o a db a l a n c i n g 二壁墨壁至堑塑堡墨丛! ! 些! ! 墨垫望堕立姿堕! ! 1 1 课题研究背景 第一章绪论 i n t e m he 许多热门站点，随着访问人数和访问频度的不断增加，开始面临 w w w 服务器超载的问题。随着高速网络和处理器开始成为商品化硬件，计算机 及其元件价格变得越柬越低。以前需要用一台功能强大的服务器来实现的功能现 在用多台服务器柬完成已经成为可能。为了有效地提高w e b 服务器地吞吐能力、 反应速度和可扩展性，国际上许多繁忙站点纷纷转向采用并行w e b 服务器集群 来替代原有的单一主服务器 1j 。这些站点普遍采用请求分配技术，即集中接受所 有到达的用户请求，然后均匀地分配到集群中的各个服务器进行处理。由于在现 存网络系统中，许多网络中的服务器经常由于体系结构或者任务分配方法的不恰 当而导致服务器在面临网络上的突发访问量时，服务器不能处理或者不能及时处 理大量的用户访问而瘫痪( 或者不能及时响应用户的请求) ，从而使得服务器的 性能不能有效地发挥出来，浪费了很多服务器资源。 1 2 现存技术及其存在的问题 在现存使用的集群系统中，很多采用负载分配器对到来的任务进行分配，常 用的分配方法有转轮( r o u n d r o b i n ) ，最少连接优先( i e a s tc o n n e c t i o n f i r s t ) ，快 速反应优先( f a s t e rr e s p o n s ep r e c e d e n c e ) 和选择加权百分率( s e l e c t e dw e i g h t e d p e r c e n t a g e ) 算法等【2 j 。由于在网络中存在着不同的请求类型，如h t t p 请求、 f t p 请求、s m t p 请求、r t s p 请求等等，不同的请求对服务器的要求所需要占 用的服务器资源是不同的。例如我们不能把一个f t p 请求等同于一个h t t p 请 求。对于上面的这些分配方法，它化并没有考虑到对用户清求进行区分，也没有 考虑到根据用户请求的类型来决定把这些用户请求很好地分配到集群系统中的 相应服务器上。 与此同时在现存的集群系统中，很多采用被动请求的方式来进行负载均衡， 也就是说寻找轻载节点的任务是由重载服务器来进行的。这种查找饪务轻载节点 中南火掌硕士学位论文 一仲集群系统的体系结构艘j c 负载均i 射方法研，e 的方法存在一定的弊端。由于重载节点在此时刻己经不能及时或者不能完成现存 用户的请求，如果还需要重载节点完成这些查找任务，那么这些查找任务必将再 次增加服务器的负担，而且这些查找是低效的。 在现存集群系统的负载分配方法中，每一个节点的服务器在每一个时钟周期 向集群系统中的其它服务器广播自己的状态，告诉其它服务器彦己的负载情况。 其它的服务器根据收到的所有服务器负载信息中选择相应的服务器，把自己任务 列表中的任务转移到负载比较轻的服务器上，实现负载的均匀分配。可是如果采 用这种方式来广播系统的信息，系统的信息广播将会占用很多的系统资源。也就 是说在每一个时钟周期内，每一个节点都要向其它的所有节点传送自己的负载信 息。据计算，系统将在每一个时钟周期内传送_ 一1 ) ”条信息。如果没有对这种系 统进行一定的调整，那么这些信息将会占用大量的网络资源，造成通信拥塞，从 而降低系统的使用效率。 最后，在现存集群系统负载分配方法中，重载节点总是同它发现的第一个轻 载节点分配任务矗印。那么很可能出现集群系统中的多个重载肖点同时向一个 轻载节点分配任务的情况。通过这种任务转移，重载节点不一定能够在一定时州 内脱离重载，而且很可能会使得接受任务的轻载节点处于重载：扶态。 1 3 本文将要解决的问题 本文针对这些存在的问题进行讨论。 首先，我们在此基础上提出一种负载分配体系结构，并对现存的一些负载分 配方法进行改进，提出一种区别任务类型的任务分配方法。该方法在分配用户淆 求时考虑了用户请求的类型，根据不同的类型设计了不同的请求分配级别，从而 避免了现存方法只根据用户请求数目来分配任务的方法。 其次，在我们的集群系统中，我们采用主动式任务转移方法采进行负载均衡， c 三就是说寻找轻载节点的任务是由轻载服务器来进行的。在一定时间内，轻载服 务器向重载服务器提出任务转移请求。重载服务器在接受到这些任务转移请求后 根据一定的策略把自己任务队列中一定量的任务转移到轻载节专上进行，通过这 种方式避免重载节点查询所给重载节点带来的负担。 再次，我们在集群系统中使用伙伴集来解决集群系统中大量状态信息。播的 匀南 学坝l ：学位论文 、 种兜群系统的体系结构发e 负救均衡方法研究 问题，使得每一个节点只和自己的伙伴集节点进行通信。通过使用这种方法我们 可以明显的减少用户j 状态广播的信息量。 为了避免e 述多个重载节点同时向一个轻载节点进行任务转移的情况，我们 对每一个节点的伙伴集中引入了优先要求列表，通过使用优先列表来避免这种集 中负载转移的情况。 1 4 论文组织结构 论文全文共分六苹 第一章：绪论。简要介绍课题研究的背景、现存技术存在的问题、以及本论 文对这些存在问题的解决方案。 第二章：多层应用系统。本章通过介绍现存的多层应用系统结构，以及现在 常用的开发多层应用系统的技术，指出了现存现有多层应用系统的弊端，并提出 用集群系统来解决这些存在的问题。 第三章：集群系统及实现技术。本章通过介绍集群系统的概念，从整体上介 绍了本文将要用来讨论的集群系统结构模型。在分析现有的负载分配技术时，提 出了一种考虑任务分配请求类型的任务分配方法，解决了本文提出的第一个问 题。 第四章：集群系统体系结构。本章介绍了超立方体结构、以及生灭过程等基 础理论来确定实际网络系统中需要的网络服务器数量以及网络服务器集群结构。 并介绍了伙伴集和优先要求列表。在本章中，我们综合运用这些知识，说明了怎 样利用上面提到的主动负载请求、伙伴集和构造优先要求列表来解决现存系统存 在的问题。 第五章：系统负载分配模型。本章首先介绍了系统性能评价的方法和用户请 求模型，然后利用p e t r i 网来对我们提出的负载分配方法及集群系统结构进行建 模，最后通过排队论理论运用面向活动的仿真方法和随机模拟法对建立的模型进 行仿真。 第六章：结束语。总结了论文所描述模型所得到的效果，并对未来的工作进 行展卑 种策群系统的伟黏* 构技，i 负载均衡方法研究 第二章多层应用系统 网络经济中的应用系统趋向于基于服务器的多层应用系统，并支持各种系统 的互操作，这些应用系统是分布式的。也就是说，它们运行在几个不同的设备上， 包括后端进行数据访问的主机、在中间层支持w e b 和事务监控的服务器，以及允 许用户访问应用系统的各种客户端设备。 2 1 多层应用系统的发展 8 0 年代后期有入开始引入基于p c ( p e r s 。n a lc o m p u t e r ) 的应用系统。 9 0 年代，随着计算机技术水平的迅速发展，个人计算机( p c ) 的处理能力 得到了极大地提高。同时m i c r 。s o f tw i n d o w s 系列操作系统也得到了迅速的普及。 c s 构架的管理模式成为主流，普遍采用s q i 。网络数据库，大大提高了数据处理 能力。 在9 0 年代后期，采用i n t e r n e t 、i n t r a n e t 和w e b 技术的多层应用开始出 现。统一的浏览器界面和以w e b 服务器为中心的管理体系代表了最新的计算机网 络技术在多层应用系统中的应用。 2 0 0 0 年以来，c l i e n t s e r v e r 构架在发展过程中呈现出的一些不足逐渐被人 们认识到：所有的处理都集中于服务器，服务器处理系统业务和用户业务的逻辑 界限不清晰。如果突然有大量的用户请求服务，服务器有可能因为负担过重而响 应变慢，同时系统的伸缩性也很差，升级换代困难。针对上述不足，m i c r 。s 。f t 提出了分布式网络应用架构：w i n d 。w sd n a ( d i s t r i b u t e di n c e r n e ta o d l i c a t i o n s a r c h i t e c t u r e ) 。把应用分成几个层面：界面层、应用层、数据层、系统层。应 用程序开发人员只需关心应用层的实现，其他各层面的服务由系统实现，大大减 轻了开发人员的工作量。系统的处理任务均匀分布于服务器和客户机上，极大地 增强了整个系统的处理能力。由于各层面的分离，系统升级改造非常容易= 客户包括肥客户( 在台式机上有独立的应用系统) 和瘦客户，比如运行在台 式机浏览器中的应用系统，运行在个人数字助理、甚至移动电话和其他个人通信 设备中的应用系统。对于b 2 b ( b u s i n e s s t 。一b u s i n e s s ) 应用系统，分布式计算 涉及在分开的服务器系统之问进行端肘端的连接。 出南八登坝 学位论女4 种氍群系统的s 系站f i = j 搜c 负载均新方泫嘶f 亢 2 。2 常用多层应用系统结构 l 、三层应用系统 三层应用系统结构是指由客户、w e b 服务器和数据库服务器构成的计算机网 络。如图2 一l 所示。 鋈怩 客户 w 。i i 匠虿墓 图2 一l 三层应用系统结构 在三层应用系统中，服务器接受用户提出的请求。当w e b 服务器接受到用户 的请求后，w e b 服务器对用户请求进行处理。如果用户请求不用访问系统的其它 资源的话，那么w e b 服务器直接把用户请求进行处理，然后把处理结构转发给请 求的用户。当然，如果用户请求需要访问系统的其它资源，如数据库、其它资源 库，那么w e b 服务器会把相应的用户请求转发到数据库服务器或者其它资源服务 器上进行处理。当这些请求都处理完成后，它们把处理的结构返回给w e b 服务器， 由服务器再转交给请求的用户。 2 、四层应用系统 四层应用系统结构是指由客户、w e b 服务器、中间件服务器和数据库服务器 构成的计算机网络。如图2 2 所示。 画一羹h 薹瘫 客户 w 赢中瀛器 图2 2 四层应用系统结构 在四层应用系统中加入了中间件服务器。中间件服务器把整个系统中的数据 库服务器和其它资源服务器的处理功能独立出来集成到一起。当用户请求需要访 问系统中的其它资源时，服务器把这些请求直接发送到中间件服务器上。中间件 服务器按照一定的规则处理用户的请求，然后向相应的资源服务器提出资源请 求。资源服务器接到请求后直接把相应的数据资源和其它资源发送到中间件服务 器上，中间件服务器然后又把结果发送到w e b 服务器中，最终通过w e d 服务器把 处理结构返回给用户。通过使用这种结构，我们可以降低数据库服务器和其它资 中南大学硕i 学位论文5 二型墨壁至鳖堕笪至堕塑墨苎墨塑些塑查垄型至一 源服务器的负担，使得这些服务器能够从处理流程中独立开束，避免在要承受大 量的数据存储处理外还需进行许多流程处理的情况。 2 3 多层应用系统的设计 系统与设备的扩增以及服务器提供服务的扩充都增加了设计、开发和发布应 用系统的复杂性。分布式应用系统逐渐被要求集成现存的基础设施，包括数据库 管理系统、企业信息系统和以前的应用系统和数据，分布式应用系统也被要求把 这些资源设计成一个不断发展的包括不同位置的不同客户的集成环境。随着系统 体系结构变得越来越复杂，分布式应用程序的开发也变得越来越复杂。将处理功 能分布到多个不同的层要求花大量的工作将不同应用程序组件集成起来。事实 上，目标是让每个应用程序模块不知道而且不关心本地和远程相互交互的其他模 块。不仅如此，任何较大规模的应用程序都要求在简单应用程序逻辑外增加许多 其他服务，例如，生成和控制事务( 通常是在多个应用程序模块之间) ，用安全 层来防止有意和无意的滥用等等。 为了利用这类服务，就要在应用程序中增加大量“支柱性”代码，通常需要 建立和配置不同的中间件解决方案，对厂家特定a p i 进行a p i 调用以访问特定服 务。除了关系型数据库访问之类的服务外，大多数服务都是专属的或非标准的。 结果，使得应用程序的开发、管理和维护更复杂、更费时、更昂贵。 除了要管理所有这些不同的a p i 外，服务器方应用程序还有另一个关键要 求：在服务器方，资源非常稀缺。例如，不能像通常在客户应用程序中一样生成 那么多的对象。其他需要特别注意的服务器方的资源包括线程、数据库连接、安 全、事务等等。定制处理这些资源的基础结构是相当费劲的。这种工作在 i n t e r n e t 环境中是不可行的。如果你的开发周期只有三个月，对数据库访问建 立连接池、对象缓冲区或“精彩的对象层”是很困难的。由于这些服务器方要求 是各种应用程序共有的，因此更适合采用具有现成解决方案的平台。这样就可以 考虑将这些基础结构层与更具体的工作( 将应用程序要求转换成可行的软件) 分 开。使用n 层结构的系统结构有多种实现技术可供选择，典型的实现技术有两种： 1 、w i n d o w sd n a 体系结构 w i n d o w sd n a ( d i s t r i b u t e di n t e r n e ta p p l i c a t i o na r c h i c e c t u r e ，分布式网 中南大学硕= b 学位论文6 一种集群系统的体系结构及儿负载均衡方法划f 究 际应用体系结构) 是m i c r o s o f t 提出的一个完整的、多层结构的企业应用总体解决 方案。 系统客户端采用的是w e bb r o w s e r ；中间层表示逻辑层是由i i s + a s p 提供；中 间业务逻辑层是由册s - c o m 技术提供；数据服务层由数据库构成。 该体系结构的优点是整个系统框架是由m i c r o s o f t 公司提供的，系统集成程 度高；其缺点也在于该系统框架的封闭性，导致企业的业务过多依赖于家公司， 不利于今后系统的扩展。 2 、s u nj 2 e e 体系结构 j 2 阻( j a v a2e n t e r p r i s ee d i t i o n ，j a v a2 企业版) 是s u nm i c r o s y s t e m s 公司提出的一套企业级分布式n 层架构规范。其中，j 2 e e 定义了管理应用程序 的基础框架结构，也定义了创建应用要使用的服务a p i 。它的主要目标可概括为： 为企业应用系统提供一个具有高度可移植性和兼容性的平台。在这个平台上可以 容易、快速地建立融合i n t e r n e t 技术，尤其是w e b 技术地企业一c i e r s 结构地 分布式企业应用。 考虑到w i n d o w sd n a 体系结构的是整个系统框架都是由m i c r 。s o f t 公司提供 的，由于该系统框架的封闭性，导致企业的业务过多依赖于一家公司，不利于今 后系统的扩展。而j 2 e e 是开发式的架构，它具有j a v a 语言所特有的优点，具有 平台无关性，所以我们在采用j 2 e e 技术来实现多层应用系统。 2 4j 2 e e 多层应用模型 j 2 e e 平台是一个n 层结构，如图2 3 所示。包含以下层吐 l 、用户层 用户层用来与用户交互，并把来自系统地信息显示给用户。j 2 e e 平台 支持不同类型的用户，包括h t m l 用户、j a v a a p p l e t s 和j a v a 应用等。 2 、w 曲表示层 表示层中的组件主要用来处理用户接口与用户交互。在j 2 e e 中，表示 层包括c o r b a 客户端，j “a a p p i e t ，j a v a a p p i i c a t i o n ，j a v as e r v l e t ，j a v a s e r v e r p a g e ( j s p ) ，静态w 曲网页。c o r b a 客户端用c o r b a 命名服务 中南大学硕士学位论文 二壁垄壁墨垄竺竺墨苎塑丝些丝塾望塑堕望型兰一 ( c 0 s n a m i n g ) 来定位中间层组件，用c o r b i i o p 来调用这些组件中的 方法。j a v a 客户端用j a v a 命名与目录接口( j n d i ) 来定位中间层组件，用 r m i i i o p 来调用这些组件中的方法。 图2 3j 2 e e 构聚 3 、商业层 商业层中的组件要协同工作，来解决诸如结账、处理订单等商业逻辑。 商业层也叫业务层或e j b ( e m e r p r i s ej a v ab e a n ) 层，作为解决或满足某个 特定业务领域( 比如银行、零售或者金融业) 的需求的逻辑的业务代码由运 行在商业层中的e m e 艰 s eb e a n 来执行。一个e m e r p r i s eb e a n 从客户程序外 接收数据，对数据进行处理，再将数据发送到数据层存储。一个e m e r p r i s e b e a i l 还从存储中检索数据，并将数据送回客户程序。运行在商业层的 e n t e r p r i s eb e a n 依赖容器来为诸如事务、生命期、状态管理、多线程及资源 存储池提供通常都非常复杂的系统级代码。 4 、数据层 数据层运行企业信息系统软件，这层包括企业基础设施系统，如企业资 源计划( e r p ) 、大型机事务处理( m a i n 胁m et r a n s a c t i o np m c e s s i n g ) 、数据 库系统及其它遗留信息系统( l e g a c y i n f o n n a t i o ns y s t e m ) 。 j 2 e e 组件容器支撑j 2 e e 平台的应用组件。容器为现有组件和服务于客 户端的组件提供必要构架和支撑的服务。容器通常作为一个j a v a 兼容的运行 中南犬学硕士学位论文 二塑塞壁墨竺塑堡墨堕塑些! ! 丝垫望塑查鲨塑! ! 环境为组件提供服务。 2 4 1j 2 e e 主要技术 j 2 e e 包含许多技术，在构建电子商务网的应用中，主要用到的j 2 e e 技术有 j s p 、e j b 、j d b c 和s e r v i e t s 等f 9 1 0 1 。 1 、j s p ( j a v as e r v e r p a g e ) j s p 是一个特别的j a v a 语言。j s p 加入了一个特殊的引擎，此引擎将 h t t p s e r v l e t 类的一些对象自动进行初始化让用户使用。同时这个引擎又引入了 f l “ m a r k o v 特性定义了随机过程的未来行为只依赖于现在的时刻而与历史无 关，即m a r k o v 过程具有无记忆的特点。m a r k o v 过程广泛用于离散事件的系统， 具有离散状态空间的m a r k o v 过程叫做m a r k o v 链，如果时间是联系的，口q 做连 续时间的m a r k o v 链( c t m c ) 。 在得到了一定时间内的用户到达规律和相应的服务时间后，我们可以使用生 灭过程来确定相关的服务器的数量。在这里我们简要的介绍一下生灭过程，并且 把它应用在一定的实例中去，根据特定的用户请求到达模型和用户请求服务时间 模型来确定在一定的时间内需要服务器的数量。 设置o l f o 是齐次可数的马尔可夫过程 27 1 ，如果它的转移概率风o ) 满足： p 。0 ) = 五，r + o ( ) ， ，o ) p 。，p ) = ，r + o ( ) ，o ，。= o ) p ，( r ) = 1 一以+ ，弦+ 。0 ) p 。p ) = d t ) 则称为生灭过程。我们可以看出生灭过程都是相通的。 中南大学硕士学位论文2 9 种集群系统的体系结构驶其孤戟均衡方法研究 通过上面的条件我们可以得到如下解释：在长为f 的一小段时间中，在忽略 高阶无穷小项后，只有三种可能，状态由f 变化到i + 1 ，也就是增加1 ( 如果把x o ) 理解为在f 时刻某群体的大小，则就是生出一个个体) ，其概率为丑f ；由，变化 到f _ 1 ，也就是减少l ，或死去一个个体，其概率为，f ；或者状态不变，其概 率为l 一以，+ h 弦。生灭过程的命名理由也在于此。 不难看出，相应的g ，为 g 。= i ，+ 。 g 肛】= ，g 川= 五。 g ，= o ，l f _ f 2 而相应的后退柯尔莫哥洛夫方程为： p ；o ) = 一0 ，+ 。扫。o ) + 五，p ，+ 。，o ) + ，p 。，o ) 前进柯尔莫哥洛夫方程为： p ；p ) = p ，o 鼽，+ 一) + p 。一，o 弘，一。+ p 。+ 0 弘。 无条件概率满足的方程为 p j o ) = p ，( f ，+ ，) + p ，一。o 姐川+ ，。o 址，+ i ，：o ，l 2 p 一。t ) = o 如果假定平稳分布f n ，f = 0 ，1 ，2 ， 存在，则有： 一0 ，+ ，b 。+ 五h p h + 川p 川= o ，f = o ，1 ，2 ， 一厶p o + l pj = o 当一切以 o 时，可逐步求得： p l ：鱼p 。 p 1 p ：= 等既 i 2 中南大学硕士学位论文 种集群系统的佧系结构及，负载均衡方法研究 再由p 。= 1 可知 p 。：生丝风 l ! 。p 胪( t + 善鼍 生灭过程是在生物、工程中大量出现的一种过程，我们现在把它用在分析集 群系统中服务器的数量问题上， 我们首先考虑一个确定服务请求的客户与服务器数量的例子。假设在我们的 系统中有m 个系统用户，有s 台服务器0 m ) 。用户或者空闲或者等待服务器处 理请求。客户在等待服务器处理时，如果服务器空闲，则空闲的服务器立即来处 理相应客户请求，否则用户继续等待，直到其他的服务器处于空闲状态时再来处 理用户请求，用户按照先请求先处理的原则排队。 进一步假设时刻f 时正在空闲的用户在o ，+ f ) 中发出请求的概率为 尬f + d ( f ) ；时刻f 时正在处理的一个用户在o ，f + f ) 中被处理好的概率为 ，出+ o ( f ) ，并假定各个用户的请求状态是相互独立的。在上面的假设下，如用 x 和) 表示时刻f 时发出请求( 包括正在处理的和等待维修的，即不在空闲) 的用 户个数，则可以看出它是一个时齐的有限的马尔可夫过程，o ( f ) m 。用以o ) 表示它的转移概率，根据上面的假设，我们可以得出： p “+ l ( f ) = 一j i 松r + d ( r ) ，= o ，1 ，2 ，一，”一1 这是由于左边表示时刻f 时有女个用户发出了请求，而在， + f ) 中又有一个 用户发出了请求的概率。在忽略了一个高阶无穷小后，它应该等于在“，f + 出) 中， 原来正在空闲着的胂一女个用户恰好有一个发出请求的概率，而后者正好就是 ( m 一是) 兄f 十d ( f ) 。 中南大学硕士学位论文 种集群系统的体系结构及其负载均衡方法，卅究 类似地，有 p m i ( ，) = 皇“r + 口0 。) ， l 女s p 女一l ( ，) = s “f + o ( f ) ， j 尼卅 p 。( f ) = d ( f ) ，陋一，l 2 于是它是一个生灭过程，相应的 五女= ( ，”一尼m ， 七= o ，1 ，肌 舻鼢 1 七j j 七硎 由上面生灭过程我们可以得到它的平稳分布是 。一五o i t 一一 】2 一埘向一1 ) 1 2 七 ( 舢， c 舡k ， 卢 凳 了p 。 p 。：鱼卫姓 弘i p 。p ，“。pk = 血坐告警掣知1 2 s 5 s“女“ = 血芈襞兰孥业知1 2 七s s s“1 ” = ( 习譬孙坍 学。肌川m 风= + 薹( 詈) ( 去 + 。萎 詈 鱼遵芒出( 言 。 。 在给定了m ，1 之后，对于不同的j ，就可以用上面的公式求出相应的( 仇j ， 中南大学硕士学位论文 孙 七 钆百” 二堑墨登至竺堕堡墨丝塑丝些丝堑望丝互鲨竺型一 进而求出相应的均值芝印。( 在安排了s 台服务器时，平均可以处理的请求数) = l 等，根据这些数据以及增加服务器的费用等即可以用来决定合适的s 。 4 3 伙伴集 一般认为，在分布式p c 集群系统中任务的优化调度对大任务来说很有吸引 力。任何一个把任务分配到分布式系统中的各个处理机的实际调度算法必须既要 考虑算法的时间复杂度又要考虑算法实现的性能。如果任务到来不均衡地分布到 分布式系统的节点上，那么有些节点可能过载，而另外一些节点处于空载或轻载 状态。结果是，即使整个系统完全有能力完成所有任务，而有些任务不能在终止 期限之内完成。减少这个问题的一种方法是负载均衡。目前有很多种负载分配算 法，由于其应用的主要技术不同，所反映的特点和性能也就有所不同，根据这些 区别，我们可以将它们分为轮询d n s 、硬件解决方案、协商式处理和流量分发等 负载分配系统。但是这些方法都有他们的优点和缺点。 动态负载均衡不一样，一个超载结点能使用它当前系统的有关状态信息把任 务传递给其他结点嘶，m ，2 “，因为任何动态策略需要每个结点知道其他结点的状 态，所以必然要比静态策略复杂。所有动态负载均衡算法所需的状态信息能通过 几种途径收集到：状态信息的定期交换 2 6 j ：请求状态探查口，”1 5 l ；定期广播状 态变化旧1 4 ，1 6 】。基于状态信息的定期交换的算法，需要一个比较好的或优化手法 来决定信息交换的时间间隔，这是因为在做一个负载均衡决定时的状态信息的精 确度很大程度上取决于这个时间间隔。另一方面基于请求状态探查的算法在每 次请求探查过程至少产生两个附加的信息：传入时间、通信超量，因此不利于 实时任务的及时完成。而且这些算法的性能对通信延迟的变化非常敏感。仅仅在 状态区域变化时需要更新状态信息的算法有利