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e j b 容器集群关键技术的研究与设计中义摘要 中文摘要 集群的动态负载均衡是网络计算的关键技术，如何提高动态负载均 衡的性能，一直是网络计算人员研究的一个热点。本文研究的e j b 容器 集群负载均衡问题，其目的就是在互联网用户数和网络流量成几何级数 增长的情况下，j 2 e e 应用服务器仍然能提供高可用性、高扩展性的服务。 本文首先介绍了集群技术、负载均衡技术、e j b 组件框架，然后分 析了e j b 容器集群体系结构，研究了常用系统设计方法及负载均衡策略， 根据现有系统的不足，提出了基于软件p r o x y 的e j b 容器集群总体框架， 以及将负载预测与负载均衡技术相结合的思想。然后设计出基于b p 神经 网络的负载预测模型，实现其动态负载均衡算法。测试结果表明其性能 优于传统e j b 集群算法。论文最后对e j b 集群系统的研究与设计做了总 结，并提出今后需要进一步研究的内容。 本文在e j b 容器集群技术上作了一些探索，如负载均衡技术，e j b 容器体系结构，基于b p 神经网络的负载均衡策略等。这些内容有一定的 价值，可以为同类集群研究提供参考，具有一定的借鉴意义。 关键字：e j b 容器，集群，j 2 e e ，负载均衡，b p 神经网络 作者：方巍 指导教师：孙涌 a b s t r a c t a st h ed y n a m i cl o a db a l a n c i n gi st h ec r u c i a lt e c h n o l o g yi nt h en e t w o r k c o m p u t i n g ，h o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i cl o a db a l a n c i n gi s o n eo ft h ef o c u sa r e a st oi t sr e s e a r c h e r s f o rt h ei n t e r n e tu s e r sa n dt h en e t f l o wf o l l o wt h eg e o m e t r i cs e r i e si n c r e a s e ，i tr e q u i r e st h a tj 2 e ea p p l i c a t i o n s e r v e r ss h o u l dh a v eh i g hs c a l a b i l i t ya n dh i g ha v a i l a b i l i t y i ti st h ep u r p o s eo f t h i sp a p e rt of i n ds o m ew a yt os o l v et h e s ep r o b l e m s f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec l u s t e rt e c h n o l o g y ，l o a db a l a n c i n g t e c h n o l o g ya n de j bc o m p o n e n t s e c o n d l y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ea r c h i t e c t u r e o fe j bc o n t a i n e rc l u s t e r i n g ，s t u d y i n gt h ee x i s t e dd e s i g nm e t h o d so fe j b c l u s t e ra n dt h e i rl o a db a l a n c i n gp o l i c y u p o nt h e i rs h o r t a g e so fd e s i g n m e t h o d sa n dl o a dp o l i c y ，w eo f f e ran e wd e s i g nm e t h o do fe j bc l u s t e r s y s t e mb yt h ep r o x y ，a n dt h ep a t t e mw h i c he f f e c t i v e l yc o m b i n e st h el o a d p r e d i c t i o nw i t hl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m t h i r d l y ，t h ep a p e rp r e s e n t s a d y n a m i cl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h eb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a l n e t w o r k t h e nc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ls t a t i c a l g o r i t h m s o fe j bl o a d b a l a n c i n g ，t h en e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mp r o d u c e dh i g h e rp e r f o r m a n c ei nt h e t e s tc a s e s a tl a s t ，t h ep a p e rd r a w sac o n c l u s i o no fe j bc l u s t e rs y s t e m r e s e a r c ha n dd e s i g n ，p u t t i n gt h ef u r t h e rw o r ki nt h ef u t u r e t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h ep a p e ri st oe x p l o r et h ec l u s t e rt e c h n o l o g y o f e j bc o n t a i n e r ，s u c ha sl o a db a l a n c i n gt e c h n o l o g y ，t h ea r c h i t e c t u r eo f e j b c o n t a i n e r c l u s t e r i n g ，l o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m b a s e do nb pn e u r a l n e t w o r k e t c i ti sw o r t h w h i l et h a tt h e s et e c h n o l o g i e s a r e h e l p f u l t ot h e d e v e l o p e r si nt h eh o m o g e n e o u s c l u s t e rf i e l d k e y w o r d s ：e j bc o n t a i n e r ，c l u s t e r ，j 2 e e ，l o a db a l a n c i n g ， b pn e u r a ln e t w o r k w r i t t e nb yf a n gw e i s u p e r v i s e db ys u ny o n g y9 5 6 3 2 8 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 日期：笪型：篮乡 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 劣褫 抄 日期：如。红沙 日期：咎 i 业以 e j b 容器集群关键技术的研究与墩计 1 1 研究背景 第一章绪论 如今i n t e m e t 已经渗透到人们生产和生活的各个角落。计算机网络 技术已被广泛地应用在企事业单位的各个业务环节，网络的信息量与访 问量成几何级数增长，网络拥塞和服务超载日益成为网络及其服务器必 须面对的严峻问题。而且，大部分网站都需要提供7 2 4 小时的持续服 务，尤其是电子商务和金融领域等网站，任何服务的中断和关键性数据 丢失都会造成直接的商业损失。例如在1 9 9 9 年6 月份，e b a y 公司的服 务停止了2 2 小时，导致大约2 3 0 万的拍卖被中断，e b a y 的股票也随之 下降了9 2 个百分点，这对网络服务的可靠性提出了越来越高的要求。 为保证及时处理用户的请求，提高网络服务质量，目前普遍采用基于并 行分布计算的服务器集群( c l u s t e r ) 技术，它提供了一种高性能、高可 靠性的服务器解决方案，因此以其扩展性好、处理能力强、易于管理等 优点受到了国内外研究机构的关注和广泛应用。 目前，大多数企业采用j 2 e e 应用服务器来满足架构企业级应用的 需求。随着客户访问量的急剧增加，企业对于j 2 e e 系统的可伸缩性和 高可用性要求越来越高。如何设计和构建一个具有高可伸缩性、高可用 性的j 2 e e 集群应用服务器，成为j 2 e e 应用服务器设计必须考虑的问题。 但j 2 e e 应用服务器的集群是基于e j b 组件的集群，与普通w e bs e r v e r 集群技术有很大的不同，实现的方法也不尽相同。 其中的关键就是负载均衡技术4 】【6 l 【7 】a 负载均衡服务能够平衡所有的 服务器和应用之间的通信负载，根据实时响应时间进行判断，按照一定 算法将任务交由负载最轻的服务器来处理，以实现真正的智能通信管理 和最佳的服务集群性能。e j b 集群技术作为一种新的集群技术逐渐在大 型分布式j 2 e e 系统中得到更广泛的应用。 e j b 容器集群关键技术的研究与设计 1 1 1 传统中间件技术 在传统的客户机服务器( c s ) 模式企业应用中，业务逻辑在客户 端和服务器端都有分布。随着企业应用环境逐渐向i n t e m e t 环境转移， 应用的需求规模不断扩大，两层c s 计算模式暴露出种种缺陷，如客户 端和服务器负担过重、重用程度低、应用逻辑的改变缺乏灵活性、系统 移植性差、软件部署开销太多和升级困难等。于是，多层( 三层或以上) 结构应运而生。所谓“多层”，就是在原有的“两层结构”( 客户端和服 务器端) 之间增加了多种服判2 1 。在多层部署中，各层之间相互独立。 另外，应用服务器可以做集群的配置。 客户机 中问层 服务 | j 数据库 服务_ | 图1 1 三层客户端服务器模式 以i n t e m e t 为基础的企业分布应用不仅要求在分布式环境下实现信 息的采集、管理、发布、交换和处理，而且要求能快速开发和构建企业 应用，具有易扩展性、互操作性、高可靠性、可伸缩性以及高安全性等。 三层客户n 务器计算模式满足了基于i n t e m e t 企业应用的新的要求。一 个典型的三层如图1 1 所示，第一层是集中处理业务表示逻辑的表示层 ( p r e s e n t a t i o nt i e r ) ，第二层是中间层( m i d d l et i e r ) ，亦称为业务逻辑 层( b u s i n e s sl o g i ct i e r ) ，主要实现应用业务逻辑。业务逻辑层随着应 用的复杂度可分为一层或多层：第三层是数据层( d a t a t i e r ) ，主要描述 应用所需的数据源，包括后端的数据库、企业应用数据等系统数据。 负载均衡服务【2 4 】主要包括网络级、操作系统级和基于中间件这三 种。目前一味提高单机或多机硬件运行性能的思维方式已经不能很好地 满足系统要求，开发一个基于e j b 的分布式系统无需开发者过多关心分 e j b 容器集群关键技术的研究。o 吐汁 第一章绪论 布式计算的具体实现，有利于进一步提高系统的高可用性和高可靠性。 j 2 e e 平台提供了一个基于组件的方法，用来设计、开发、装配及 部署企业应用程序，近年来在企业系统中得到了大量使用。而e j b 技 术作为s u n 公司j 2 e e 企业平台多层结构的主要实现技术在一段时间 内成为多层结构的开发标准之一f 3 0 1 。 1 1 2 j 2 e e 应用服务器和e j b 容器 应用服务器是一个将用户接口、业务逻辑和后端服务分离，为业务 逻辑的实现提供支持，为用户创建、部署、运行、集成和维护多层分布 式企业级应用的平台【8 j 。j 2 e e 应用服务器可以看作一个装有若干个服 务的容器，其中最重要的服务包括j n d i 、j d b c 、j m s 、j t s 等。目前， 基于j 2 e e 规范实现的应用服务器在市场上具有非常重要的地位，主要 产品包括i b m 公司的w e b s p h e r e 、b e a 公司的w e b l o g i c 和开放源码的 j b o s s 等。 容器是为一个或多个组件提供应用的上下文并且为组件提供管理 和控制服务。它可以是客户端的，也可以是服务器端的。像浏览器中的 用于执行a p p e t 的j a v a 虚拟机就是客户端容器；在j 2 e e 平台中，服务 器端容器主要是s e r v l e t 容器和e j b 容器。也就是说e j b 容器是整个j 2 e e 应用服务器的核心部分。它为e j b 组件提供部署和运行环境，并且在 e j b 容器中提供了分布式计算环境中部件需要的所有服务，例如容器为 部署在其中的企业b e a n 提供了下列服务：分布式对象协议、进程管理、 事务、安全性、状态管理、资源共享、数据访问、系统管理支持、故障 恢复( f a i l u r er e c o v e r y ) 、高可用性和集群【9 。部署者可以根据企业b e a n 的部署描述符中的信息，指定容器添加给方法调用的服务。 e j b 容器支持四种类型的e j b 组件：无状态会话b e a n ，有状态会 话b e a n ，实体b e a n 和消息驱动b e a n 2 1 。它支持e j b 组件以编程和申明 两种方式控制事务。 e j b 容器集群关键技术的研究与改计 1 2 国内外研究现状 s u n 公司在2 0 0 5 年6 月2 7 日至3 0 日举办的j a v ao n e 开发者大会 上，将j 2 e e 集群技术作为该次会议中重要内容之一。可见j 2 e e 集群作 为是目前比较流行的一种提供高可用性和可伸缩性容错服务的技术，被 越来越多业界人士重视和应用。但对于e j b 容器集群的研究与对j 2 e e 平台中间件研发不同，基于j 2 e e 平台的中间件都有明确的规范，因此 主要工作在于实现细节的不同和性能差别；而对于e j b 容器的集群研究 则不同，因为没有任何规范定义了集群的需求，所以单从集群要达到的 最终效果而言，各个容器提供者理解都不同。另外，我们虽然拥有一系 列动态负载均衡算法，但是我们不能准确地对负载进行度量，这就使负 载均衡失去了基础，动态负载均衡成为空中楼阁；我们不能对系统的负 载进行有效的预测，这就限制了系统性能的提高。另外，负载均衡本身 属于n p 难问题【3 1 ，寻找高效、快速的均衡算法将是提高系统性能的一 条有效途径。 文献 1 2 1 2 8 2 9 q h 提到了e j b 集群技术，提出了分布式环境下 的负载均衡问题，并对负载均衡策略进行分析研究。可见e j b 集群技术 已经日益受到关注。 作为e j b 容器集群，现在大部分主流的j 2 e e 应用服务器都提供了 该功能，如i b m 的w e b s p h e r e 和b e a 的w e b l o g i c 等。如果单从技术角 度而言，他们的技术属于比较成熟技术。但是，商品化产品功能内部集 群实现是不透明的，很少有开放源码的容器实现支持集群功能，国内中 间件公司在研发时没有可借鉴的参考实现。目前国内的j 2 e e 应用服务 器集群，大多是在w e b 服务器或w e b 容器层上，利用w e b 服务器扩展 来实现的，不是真正意义上的e j b 容器集群。商品化的j 2 e e 产品的内 部集群实现，也是不透明的，而且他们采用的负载均衡算法大多采用轮 转法等静态算法，实现比较简单，负载均衡的粒度只能达到h o m e 接口 级别，负载均衡灵活性不足且效率不高。所以，本课题研究的主要内容 就是提出一种具有自适应、自学习、并发控制能力的动态负载均衡算法， e j b 容器集群关键技术的究2 j l 啦| 十 并应用于开源的j 2 e e 应用服务器中。 1 3 课题内容和重点 本文工作主要围绕j 2 e e 平台的核心部件e j b 容器负载均衡技术展 开研究，目的就是解决很多大规模高负载系统所面临的问题，在业务量 巨大的分布式系统中提供一个廉价有效、高可用性、高伸缩性、快速响 应的容错服务功能的应用环境。 本论文研究的主要内容包括： 1 ) 负载预测与负载均衡相结合的设计思想 对预测主机负载行为的理论进行研究，并在此基础上提出基于b p 神经网络的预测方法和负载均衡系统逻辑结构。 2 ) 基于软件p r o x y 的e j b 容器集群结构设计 分析常用的应用服务器集群技术的设计方法特点与不足，结合e j b 集群的特点，设计了基于软件p r o x y 方法的e j b 集群模型。 3 ) 基于b p 神经网络的动态负载均衡算法 针对现有j 2 e e 应用服务器静态负载算法的低效和不足，本文采用 基于b p 神经网络的动态负载均衡算法，使用m a t l a b 工具对样本进 行反复训练和仿真实现。 4 ) e j b 容器负载均衡策略的实现 结合设计模式思想，在开源的j b o s s 应用服务器上实现了e j b 容器 集群的关键技术负载均衡策略，并结合负载压力测试工具来验证本策略 的性能和优劣。 本课题的研究方法： 采用理论联系实验的方式进行研究。首先运用数学、统计学、人工 智能学等多学科的知识，设计预测主机负载的预测模型和基于神经网络 的负载均衡系统逻辑结构；然后在基于j 2 e e 规范的j b o s s 应用服务器 上实现e j b 容器集群技术中负载均衡策略；最后，通过实验测试来评价 负载均衡算法的性能。 e j b 容器集群关键技术的研，与改计 1 4 本文组织结构 本文共分六章，具体内容按如下方式进行组织： 第一章：绪论，对论文内容作了整体性的介绍，主要内容包括课题 背景、内容、意义和研究重点。 第二章：研究e j b 容器集群相关技术，包括：集群技术概念，负载 均衡技术，负载均衡算法，e j b 组件框架，以及j a v a 命名和目录接口等。 第三章：阐述了e j b 容器集群服务的系统结构，常用e j b 容器集 群实现的方法，以及集群在j - b o s s 应用服务器上实现的具体过程。 第四章：分析e j b 容器集群的负载均衡策略研究与设计过程。研究 了常用负载均衡算法，提出基于b p 神经网络的预测模型和负载均衡系 统逻辑结构。 第五章：提出了其于软件p r o x y 的e j b 集群系统的设计模型，实现 了其中的关键技术负载均衡策略，然后通过实验来验证其性能的优劣。 第六章：对全文进行总结，并对进一步研究提出展望。 e j b 容器集群关键技术的研究j 砹汁 第一帝集群技术ie j b 技术研究 第二章集群技术与e j b 技术研究 本章研究了集群技术和e j b 组件模型的相关知识。阐述了集群的发 展情况与分类，以及集群中的关键技术负载均衡策略，最后介绍了j 2 e e 应用服务器集群服务中的j n d i 技术。 2 1 集群技术 集群 3 1 ( c l u s t e r ) 是指一群松散结合同构或异构的服务器组合，形 成一个虚拟的服务器，对外提供透明的服务，从而协同地完成特定的任 务。集群是一系列结点的集合。结点可以是集群内的单台服务器，也可 以是服务器中运行的实例。集群系统一般具有高可用性、可伸缩性、负 载均衡、故障恢复和可维护性等特殊性能。 2 1 1 集群概述 早在二十世纪七八十年代，美国d e c 公司和t a n d e m 计算机公司就 开始了集群的研究工作，开发了基于v m s 操作系统的v m s c l u s t e r 集群 系统，但它仅限于在d e c 的x 系列与a l p h a 系列服务器上使用。随 着互联网络技术的发展与应用，各种不同构架的集群相继出现，并得到 了广泛的应用。集群是一种并行或者分布处理系统，它由一组互连的单 机组成，这些单机协调工作提供一个单一的、完整的计算资源【3 j 。集群 是一种分布存储的并行系统，各结点通信主要使用消息传递方式。集群 的典型结构如图2 1 所示【3 】。 网络接口硬件充当一个通信处理器并且负责在集群各节点之间通 过网络或者交换机收发数据包。 通信软件在集群各节点以及集群和外界之间提供了一个快捷、可靠 的数据通信手段。具有特殊网络或者交换机的集群经常采用主动消息以 便在节点间实现快速通信。它们实际上绕过了操作系统，去掉了很多通 信开销，从而给用户提供了到网络的直接访问接口。 7 第二章集群技术与e j b 技术研究 e j b 容器集群关键技术的研究与设计 集群节点既可以作为一个完整计算资源中的组成部分，也可以作为 单独的计算机使用。集群中间件负责提供单一系统镜像的虚拟环境，完 成互连功能，提供一个可用的独立计算机集合。 编程环境能够给应用程序的开发提供可移植的、高效的和易用的工 具，通常包括消息传递库、调试器和描述文档。集群既可以运行串行程 序也可以运行并行程序。 2 1 2 集群的分类 图2 1 集群的典型结构图 根据所要完成任务的不同，目前应用最为广泛的集群计算技术可分 三大类：高可用集群( h i g ha v a i l a b i l i t yc l u s t e r ，简称h ac l u s t e r ) 、负 载均衡( l o a db a l a n c e ) 集群及高性能集群( h i 曲p e r f o r m a n c ec l u s t e r ， 简称珊c ) 1 3 1 。 1 ) 高可用集群是指以减少服务中断( 宕机) 时间为目的集群技术。 集群系统的每个服务都有主服务器与( 一台或多台) 备用服务器， 服务由主服务器处理，而备用服务器处于等待状态；集群内各服务器都 运行心跳监听( h e a r t b e a t ) 程序，使用以太网、串口、共享存储等方式 相互发送信息，以检测其它服务器的运行状况；当备用服务器发现主服 务器不能正常工作时，它会自动接管主服务器的服务继续对外服务；当 r e j b 容器集群关键技术的研究1 0 殴| 十 第一章集群技术je j b 挫术f f 究 主服务器恢复正常时，备用服务器又可把服务自动交还主服务器处理； 集群的服务仅在服务器切换过程中可能有短暂中断。 2 ) 负载均衡集群又叫高可扩展性集群，是带有负载均衡策略( 算 法) 的服务器集群。 负载均衡集群在多个节点之间按照一定的策略( 算法) 分发客户请 求或计算任务，从而处理负载。这样系统非常适合运行同一组应用程序 的大量用户，每个节点都可以处理一部分负载，并且可在节点之间动态 分配负载，以实现平衡。负载均衡建立在现有网络结构之上，提供了一 种廉价有效的方法来扩展服务器带宽，增加吞吐量，提高数据处理能力， 同时又可以避免单个节点故障引起的单点失效问题。还可以根据每个节 点上不同的可用资源或网络的特殊环境来进行优化。 服务器l服务器2服务器3 图2 2 负载均衡集群一般框架 该系统使负载在集群中尽可能平均地分摊处理，充分利用集群内各 节点机的处理能力，提高对任务的处理效率。在这种集群中，同一任务 或服务由多个节点共同承担，集群的处理能力是这些节点机处理能力之 和。由于集群内有多个节点可完成同一任务，当某一节点发生故障时， 其它节点仍可继续工作，从而保证了服务的连续性，所以这种集群也有 一定的高可用性。负载均衡集群的一般框架结构如图2 2 所示。 3 ) 高性能集群是指以提高科学计算能力为目标的计算机集群技术。 高性能集群是一种并行计算集群的实现方法。并行计算是指将个 大的普通问题根据一定的规则分为许多小的子问题，在集群内的不同节 第二= 章集群技术与e j b 技术研究 e j b 容器集群关键技术的研究与设计 点上进行计算，而这些小问题的处理结果，经过处理可合并为原问题的 最终结果。可以并行执行的部分指定到多个处理器上执行的方法。目前 很多计算机系统可以支持对称多处理器( s m p ) 架构并通过进程调度机 制进行并行处理。主要用于处理复杂的计算问题，应用在需要大规模科 学计算的环境中，如天气预报、石油勘探与核实验模拟、基因测序等。 如著名的“深蓝”计算机系统就是并行计算机集群的一种实现。 2 1 3 幂等性 幂等性( i d e m p o t e n t ) 指使用相同的参数反复调用而且得到相同的 结剁。数学定义如下： 如果f ( x ) - - y ，那么f ( f ( x ) ) = v 。 分布式系统中的幂等性方法不会影响系统状态的方法。它可以反复 调用而不用担心改变了系统，导致不可用或提供错误结果。一般来说， 任何会改变一个持续存储的方法都不是幂等性的，因为同样的方法调用 两次就会改变持续存储两次。 2 2 负载均衡技术 2 2 1 负载均衡概述 为了改善系统的性能，通过多台计算机之间的合理分配负载，使各 台计算机的负载基本均衡，这种计算能力共享的形式，通常被称为负载 均衡或负载共享。负载均衡的目标是：提供最短的平均任务响应时间； 能适应变化的负载；是可靠的负载均衡机制。 负载均衡是集群系统中的一个重要技术。集群的最大特征是多个节 点的并行和共同工作完成任务，在硬件数目比较多的情况下，即使每个 硬件的m t i t 时间比较长，整体的m 下r f 却会非常低。为了让系统 体现出较好的可靠性，如何让所有硬件承受的负荷平均，不出现局部过 大负载或过轻负载的情况，是负载平衡的重要目的。如果出现局部过大 e j b 容器集群关键技术的研究0 敬计 第一审集群技术与e j b 技术研究 负载，必然导致硬件压力比较大，老化和损坏的可能性比较大：如果出 现局部过轻负载，设备资源被搁置浪费，不符合成本最低原则。 负载均衡包括两种：一种是静态负载均衡；一种是动态负载均衡。 静态的负载均衡，也就是作业的初始放置问题，已经得到了广泛的研究， 可是由于在一给定时刻获取全局状态的精确信息是不可能的，而且根据 该不精确信息做出的调度又不能更改，因而其效果有限。研究表明，大 多数情况下，动态负载均衡要比静态负载均衡性能提高大约3 0 【4 1 。动 态负载均衡【3 l 】【3 2 】【”】，也就是根据处理结点的负载情况动态地改变分配给 他的作业量策略，希望能最好地解决各个节点之间的均衡。 2 2 2 负载均衡器 通常，j 2 e e 服务器集群系统中有一个前端节点，称为分配器或均 衡器( d i s p a t c h e r ) 5 1 ，它是整个集群系统的入口，来自客户端的请求首 先到达均衡器，由均衡器按照一定的分配策略将请求分配到后端的某台 服务器上，服务器根据请求内容提供相应的静态或动态文档。均衡器拥 有集群系统的虚拟i p 地址，也称i p s v a ( s y s t e mv i r t u a la d d r e s s ) f 6 1 ， 为集群系统提供单一的系统映像。均衡器主要完成接收请求、请求分配 和请求转发等工作。 接收和转发请求时，根据不同实现方法，均衡器可能接收转发数 据报，也分别与客户端和后端服务器建立t c p 连接，在客户端和服务 器之间充当代理( p r o x y ) 的作用。请求分配是分配器的核心功能，它 直接决定了系统负载在服务器上的分配形式，同时对系统的性能指标有 着非常重要的影响。通过均衡器如何组织集群系统以及分配策略方面有 很多值得研究的内容。 负载均衡器基于硬件、也可以是基于软件的。可以是一个s e r v l e t ， 也可以是一个插件( 例如l i n u x 上的i p c h a i n s ) 。绝大多数的应用程序体 系结构往往在缓存层前或w e b 服务器层前采用硬件负载均衡器，这主 要是因为硬件负载均衡器能够在i p 堆栈的4 到7 层中切换请求，从而 提供较高的性能。基于软件的负载均衡器可以作为独立的组件运行，也 第二二章集群技术与e j b 技术研究 e j b 容器集群关键技术的研究与醚计 可以被构建在服务器中。大多数供应商将负载均衡逻辑构建到他们的产 品中。例如，b e a 的w e b l o g i cs e r v e r 有内置的负载均衡器；o r a c l e 9 i a s h t r ps e r v e r 中内建的负载均衡器用于平衡从w e b 服务器层到应用服 务器层的请求。 2 2 3 负载均衡算法 负载均衡是集群中的一种关键技术，它通过负载均衡器将输入的大 量请求任务分发到多个节点来完成，以免让一个节点负载过重。负载均 衡是一种动态均衡，它通过一些算法和工具实时分析数据，把任务合理 分配出去，从而获得系统的高可用性和高性能。 目前，常见的策略( 算法) 有：中心任务调度策略、梯度模型策略、 发送者启动策略和接收者启动策略川【3 4 1 。 1 ) 中心任务调度策略 中心任务调度策略是让一个特定的处理节点担任计算任务分配器 的角色，我们称之为调度节点，而把其它完成计算任务的处理节点称作 计算节点。调度节点为了掌握任务分布情况，需要维护一个任务分布表。 在任务启动时，调度节点装入任务的预分布情况表，而计算节点则 开始完成分配给它的计算任务。在执行过程中，计算节点按照一定的周 期向调度节点提交计算任务完成情况，由调度节点根据这些信息判断处 理节点的处理能力，发出任务迁移指令，控制任务从重负载节点向轻负 载节点流动，同时还要随之更新调度节点上的任务分布表。 2 ) 梯度模型策略 中心任务调度策略中，计算节点越多，冲突就越多。为了减少冲突， 适应大量处理节点的需要。梯度模型策略、发送者启动策略和接收者启 动策略都不设置专用的调度节点，而且每个节点只与一部分节点进行交 互，以减少由负载平衡导致的冲突。 梯度模型策略中，所有处理节点仅与直接相邻的节点进行交互，并 引入两个阈值：m 和m 。在运行过程中，我们将所在节点划分成三类： 设一个节点的剩余任务量为t ，如果t m ，则称之为轻负载节点；如果 l e j b 容器集群关键技术的研究，驶汁 第一帝集群披术，。，e j b 技术研究 ml m 的节点都被称为重负载 节点，t m 的节点被称为轻负载节点。发送者启动策略还需要为每个 节点定义一个相关域，节点只与它的相关域中的节点进行交互和任务传 递。可以将所有与之相邻的节点作为相关域。 在启动时，所有节点开始执行计算任务。在执行一段时间之后，节 点就开始检查其自身是否是重负载节点。如果是重负载节点，则它就试 图在相关域中均匀地分布任务。具体地：设该重负载节点的负载为l 。， 相关域中有k 个节点，其负载分别为1 ，i k ，则平均负载l 。为： 第二章集群投术与e j b 技术研究e j b 容器集群关键技术的研究。j 世计 k 2 志+ p ( 2 1 ) 为了达到均匀分布，应求得重负载节点应该传递给每个相关域中节 点的负载量m k 。首先引入h k 以避免负载被迁移到相关域中负载最重的 重负载节点。如果l 。i k ，则h k = 1 ，否则h k = 0 。n z , m k 为 主_ ，豫一( 易一厶l 譬) 缸矗 ( 2 2 ) i = l 随后该节点就可以按照m 。向各个相关节点发送任务了。我们研究 设计的e j b 容器集群技术就采用这种发送者启动策略。 4 ) 接收者启动策略 接收者启动策略与发送者启动策略除了是由轻负载节点启动，要求 其它节点把任务发送给它之外，其它基本相同。 接收者启动策略同样引入m 以区分轻、重负载节点，引入相关域 以确定交互范围。在启动时，所有节点开始执行计算任务，经过一段时 间之后，一旦某个节点发现自身成为轻负载节点，就试图在它的相关域 中均匀地分布负载。具体地：设该轻负载节点的负载为l 。，相关域中 有k 个节点，其负载分别为l l ，l k ，则平均负载l 。，。为： k 2 志( 易+ 擎) ( 2 3 ) 为了达到均匀分布，应求得相关域中节点应该传递给轻负载节点的 负载量m 。首先引入权h 。以避免负载从负载更轻的相关域中的节点被 迁移到该节点。如果l 。 l k ，则h k = 1 ，否则h k = 0 。那么m k 为 上 m , k = ( 上哪一易) 觑曩 ( 2 4 ) 随后该节点就可以按照m 。发出接受任务的请求了。 2 2 4 静态注册和动态注册 负载均衡通常决定哪个服务器接受一个特定的客户请求。在一个多 层的应用程序中，可以对每层进行负载均衡，而负载均衡器不一定是一 e j b 容器集群关键技术的研究。j 垃汁 个独立的组件。例如，j b o s s 中的负载均衡器，是一个插入式模块。比 如，要进行负载均衡的服务器必须以某种方式向负载均衡器进行注册。 这种注册可以是静态的，也可以是动态的。在静态注册中，管理员 负责服务器的注册，这意味着每次添加或删除服务器时，必须手动编辑 负载均衡器的配置。相反，在动态注册中，负载均衡器和服务器在启动 时动态地发现彼此，负载均衡器通过查询其中的一个服务器获取关于其 他所有服务器的信息来对这些服务器进行注册，或通过发送一个多点传 送的请求，请求每个服务器自己注册。 2 3 e j b 组件模型 2 3 1e , i b 的概述 e n t e r p r i s ej a v a b e a n ( e j b ) 是一个关于用j a v a 语言开发的可部署的服 务器端组件。这个在客户端和服务器端的协议能使组件运行于任何应用 服务器中。e j b 组件是可部署的，它们可被导入到作为组件主机的应用 服务器中1 9 j 。这样，e j b 组件开发人员可以集中精力实现业务逻辑，把 大量资源管理工作留给容器。同时简化开发、配置与部署e j b 的步骤。 标准x m l 部署描述项定义e j b 如何在e j b 容器中工作。 2 3 2e j b 体系结构 e j b 体系结构的客户端包含e j b 接口，用于调用e j b 上的业务特定 方法，以及处理服务器端对象句柄。可以用r m i i i o p 映射作为接口机 制。e j b 基本体系结构【1 0 1 如图2 3 所示。 e j b 体系结构中主要应用程序特定元素有： e j b 客户机：e j b 客户机应用程序使用j n d i ( j a v an a m ea n d d i r e c t o r yi n t e r f a c e ) 查找本地接口，以便按分布式或在同一容器进程中 与e j b 服务器功能通信。 e j b 主接口( 与s t u b ) ：对客户机提供分布式操作，生成、删除、 第二章集 洋技术与e j b 技术研究 e j b 容器集群关键技术的研究与设汁 查找e j b 远程接口对象句柄提供相应的操作。s t u b 负责处理主接口请求 和拆装主接口响应。 e j b 远程接口( 与s t u b ) ：提供对特定e j b 定义的业务客户机接口 方法。相应的s t u b 负责处理远程接口请求和拆装远程接口的响应。 e j b 实现：由开发人员实现的实际e j b 应用程序组件，提供任何应 用程序特定业务方法的调用、创建、删除、查找、激活、钝化、数据库 存储和数据库加载逻辑。 容器e j b 实现( s k e l e t o n 与代理) ：容器管理分布通信s k e l e t o n ，编 组与拆装客户机收发的数据。容器还可以存储e j b 实现实例，并且使用 代理在调用发送给e j b 实现实例之前，执行与特定e j b 有关的服务 管理操作。 2 3 3e j b 的分类 图2 3e j b 基本体系结构 e j b 2 0 定义了三种不同的企业级b e a n 9 】： 会话b e a n ( s e s s i o nb e a n ) ：会话b e a n 模拟商务过程对象。代表与 e b 容器集群关键技术的研究i i 驶汁 第一币集群技术，e j b 技术小究 客户的一个对话，并为客户执行动作。 实体b e a n ( e n t i t yb e a n ) ：实体模拟商务数据。实体b e a n 是事务型 的，并且只要数据库中的数据存在，则实体b e a n 就存在。 消息驱动b e a n ( m e s s a g ed r i v e nb e a n ) ：消息驱动b e a n 是个异步 e j b ，允许j 2 e e 应用程序异步处理消息。 2 4 j a v a 命名和目录接口( j n d i ) j n d i 阿1 0 1 ( j a v an a m i n ga n dd i r e c t o r yi n t e r f a c e ) 是一些标准a p i 接 口，j a v a 程序通过这些a p i 可以访问命名目录服务。j n d i 的定义不依 赖于任何独立的名字目录服务提供者，对于各种名字目录服务器，都可 通过统一的j n d i 接口调用。j n d i 由两部分组成：客户端a p i 和服务技 术接口( s e r v i c ep r o v i d e ri n t e r f a c e ，s p i ) 。j n d i 体系结构如图2 4 所示。 2 5 本章小结 l 客户代码i + j n d i 客户a p i 服务技术接口 l d a p n i s 文什系统 服务技术 服务技术 服务技术 图2 4j n d i 体系结构 本章研究了e j b 容器集群的一些相关技术。其中的关键就是负载均 衡技术。e j b 组件构架是j 2 e e 平台的骨架，j 2 e e 应用程序的内核由一 个或者多个执行应用程序业务操作的企业b e a n 组成，并封装了应用程 序的业务逻辑。e j b 容器为部署在其中的企业b e a n 提供了下列服务： 分布式对象协议、线程管理和同步、进程管理、事务、资源共享、数据 访问、故障恢复、高可用性和集群等。 1 7 第三章e j b 窖器集_ 体系结构研究 e j l 3 容器集群关键技术的研究与设计 第三章e j b 容器集群体系结构研究 本章研究了e j b 容器集群的体系结构。首先阐述了e j b 容器集群 技术，然后分析了典型的e j b 容器集群体系结构、负载算法，最后提供 了在j b o s s 应用服务器上的实现方法。 3 1 概述 分布式计算环境对软件设计提出了较高的要求，软件开发者需要能 快速为不同的中间件构建具有可复用性的集群服务软件。随着大型e j b 系统的发展，引入了e j b 集群技术。e j b 集群就是在集群中的多个的 应用服务器上部署e j b ，实现负载均衡和故障恢复，提高系统的可靠性 和可用性。 3 2e j b 容器集群技术 3 2 1e j b 集群 可以设置集群逻辑( 例如负载均衡或失败转发逻辑) 的地方有：j n d i 驱动程序、容器、主根( h o m es t u b ) 和远程根( r e m o t es t u b ) 1 0 2 7 1 。 供应商可以在j n d i 驱动程序中执行负载均衡逻辑，此驱动程序通常用 于放置主对象，j n d i 驱动程序能够跨多台机器。通过容器来设置集群 逻辑，当负载减轻时，可以继续对新请求提供服务。主根是远程客户访 问的第一个对象，本地运行在客户虚拟机上。因为根代码由供应商自动 生成根内的基础逻辑应该是供应商特定的。供应商可以