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y5 8 6 1 ; ? 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的 应用研究 摘要 随着w e b 技术在计算机网络中的广泛使用， 计算机在教学中的应用 范围也越来越广。 为适应当前高等教育的新型教育模式， 我们开发了应 用于校园网和远程教育的在线考试系统. 该系统有力地减轻了教师的工 作负担并提高了工作效率， 为加快教学考核手段的现代化提供了切实可 行的依据。 论文介绍了在线考试系统相对于传统考试所具有的优势，给出了在 线考试系统的总体设计和部分模块实现过程 系统在设计时考虑到了可 以 应付不同规模的考试及远程考试 为便于管理 该系统继承了传统意 义上的考试中心和考点的概念， 每次考完后所有考点的数据最终汇总到 中心，保证了数据的统一管理、长期保存和数据的安全性。 论文对h t t p 协议中和代理缓存及负载均衡密切相关的部分进行了 详细的研究分析， 并在分析了该考试系统的特点以及代理缓存和负载均 衡概念的基础上， 针对考点的分散和考生人数的庞大， 设计了一种代理 缓存和负载均衡系统， 并对该系统中的代理缓存和负载均衡所涉及到的 一些关键问题进行了研究和分析， 在代理缓存设计中， 对客户请求的处 理采用多线程方式， 并对缓存的结构进行了改进 在负载均衡的设计中， 分析了各负载均衡算法的优缺点， 考虑到考试系统的特点， 提出了一种 结合处理能力均衡和最少连接数均衡两种算法的自 适应负载均衡算法， 同时对该算法的性能进行了测试。 关健字:在线考试系统， 超文本传愉协议， 代理缓存，负载均衡 鑫 嵘护户、 、 践 几岁 店 一 第 t 页 代理缓存和负 载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 abs t ract wi t h t h e we b t e c h n o l o g y u s i n g in t h e c o m p u t e r n e t w o r k e x t e n s i v e l y , c o m p u t e r i s u s e d m o r e w i d e l y i n e d u c a t i o n . i n o r d e r t o a c c o m m o d a t e t h e n e w t y p e o f e d u c a t i o n p a tt e r n i n h i g h e r e d u c a t i o n , a n e w o n - l i n e t e s t i n g s y s t e m i s d e v e l o p e d w h i c h i s a p p l i e d i n c a m p u s n e t w o r k a n d r e m o t e e d u c a t i o n . t h i s s y s t e m a l l e v i a t e s t h e l o a d o f t e a c h e r s a n d i m p r o v e s t h e i r w o r k e ff i c i e n c y , s i m u l t a n e o u s l y , i t p r o v i d e s a t a n g i b l e w a y t o s p e e d t h e m o d e r n i z a t i o n o f t e a c h i n g e x a m i n a t i o n . a g e n e r a l d e s i g n a n d r e a l iz a t i o n o f p a rt m o d u l e s o n o n - l i n e t e s t i n g s y s t e m h a v e b e e n i n tr o d u c e d i n t h i s p a p e r . c o m p a r e d w i t h tr a d i t i o n a l t e s t i n g s y s t e m , t h e o n - li n e t e s t i n g s y s t e m h a s m o r e p r e d o m i n a n c e . t h i s s y s t e m c a n c o p e w i t h a l l s c a l e s o f t e s t a n d r e m o t e t e s t , e n s u r i n g t h e d a t a s s e c u r i t y a n d l o n g t i m e p r e s e r v a t i o n . i n t h i s p a p e r , h t t p p r o t o c o l i s u n d e r r e s e a r c h a n d a n a l y s i s i n d e t a i l , e s p e c i a l l y t h e p a rt w h i c h i s c o n c e rne d w it h p r o x y c a c h e a n d l o a d - b a l a n c i n g . u n d e r a n a l y s i s o f t h e s p e c i a l i t y o f t h e o n - l i n e t e s t i n g s y s t e m a n d t h e c o n c e p t i o n o f p r o x y c a c h e a n d l o a d - b a l a n c i n g , a k i n d o f p r o x y c a c h e a n d l o a d - b a l a n c i n g s y s t e m i s p r o p o s e d a im i n g a t d e a l i n g w i t h a l a r g e n u m b e r o f e x a m i n e e s a n d d e c e n tr a l i z a t i o n o f e x a m l o c u s , a t t h e s a m e t i m e , s o m e k e y s u b j e c t s o n p r o x y c a c h e a n d l o a d - b a l a n c i n g a r e u n d e r r e s e a r c h a n d a n a l y s i s i n t h e p r o x y c a c h e d e s i g n , m u l t i - t h r e a d s t r u c t u r e i s a p p l i e d t o d i s p o s e c l i e n t s r e q u e s t a n d t h e c a c h e s t r u c t u r e i s i m p r o v e d . i n t h e l o a d - b a l a n c i n g d e s i g n , a f t e r a n a l y z in g t h e f a u l t s a n d m e r i t s o f a l l s o r t s o f l o a d - b a l a n c i n g a l g o r i t h m s , c o n s i d e r i n g t h e s p e c i a l it y o f t h e o n - l i n e t e s t i n g s y s t e m , a d y n a m i c l o a d - b a l a n c i n g a l g o r i t h m i s p r o p o s e d . o n t h e o t h e r h a n d , i t s c a p a b i l i t y t e s t i s a l s o ma d e . k e y w o r d s: o n - l i n e t e s t i n g s y s t e m, l o a d - b a l a n c i n g ht t p ,p r o x y c a c h e , 第 2 页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 第一章 绪论 1 . 1 引言 随着计算机技术的高速发展和个人计算机的日 渐普及， 尤其是计算 机网络中的w e b 技术的广泛应用， 使计算机在教学中的应用范围越来越 广. 校园网与现代远程教育是利用计算机网络技术来实现一种随时随地 的、 交互性强的、内容更新最快的新型教学方法.包括网上学习、网上 作业、网上答疑和网上考试等. 发展网络教育是扩大高等教学规模、 提 高教学质量、 增强办学效益的重大措施. 为适应当前高等教育的新型教 育模式， 我们开发了应用于校园网和远程教育的考试平台， 在大学课程 的教学内容日 益增多且不断更新的情况下， 旨在缓解课程的考试与考核 工作的日 益复杂与繁重。 为推动考核方法改革， 加快考核手段的现代化， 根据教学的实际需求， 我们提出了基于计算机网络的考试系统的设计方 案. 当前面对各高校大规模的扩招， 以及远程继续教育的广泛普及， 给 组织和实施网上考试带来了一些前所未有的困难。 过去很多的考试系统 多采用客户机 / 服务器 ( c / s ) 二层结构， 其特点是使用时需要对所有 计算机进行软件安装和维护， 工作量较大， 不适合于大规模的计算机在 线考试.庆幸的是随着现代 工 n t e r n e t 网络技术的日 趋成熟，客户机 / 服务器二层结构的软件正逐渐被浏览器 / 服务器 ( b/ s ) 三层结构的 软件所取代。 浏览器 / 服务器三层结构的特点是所有软件的安装维护都 在w e b 服务器和数据库服务器上完成 ，瘦客户机几乎不需要做任何维 护，因而最适合组织大规模在线、 异地考试，为我们开发大规模的网上 考试系统提供了坚实的理论和实践基础， w e b网站就是b / s 三层结构 的应用体现，其核心基础是超文本传输协议 ( h t t p ) . w e b 网站可以用超文本的方式支持多种文件格式，如文本、图表、 动画和声音等文件的相互链接嵌人， 为各种信息之间的相互沟通提供了 快捷方式， 因而为通用的考试平台的实现提供了表现基础。 虽然w e b 为 我们实现通用考试平台提供了方便， 但是单台w e b 服务器的性能要想达 到校园网内上千人的同时在线考试或异地远程考试是不现实的. 因此我 们将负载均衡 ( l o a d b a l a n c e ) 和代理缓存 ( c a c h e ) 网络技术引人了 考试系统的设计之中 负载均衡是建立在现有网络结构之上， 它提供了 一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、 加强网络数据处理能力、 提高网络的灵活性和可用性。 代理缓存是解决 第 5页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 网络拥挤造成的网络延迟及用户响应速度缓慢问题的新技术， 在本地局 域网内或远程服务器上增设缓存， 并在各级缓存之间引人分布式协作代 理机制， 则请求响应速度可以明显提高， 因重复访问所引起的网络传输 量及网络时延可大为降低， 从而整个网络性能将得到明显改善. 所以说 代理缓存和负载均衡为实现大规模、异地考试提供了可能. 1 . 2在线考试系统概述 目前，学校及社会上的各种考试基本上都是采用传统的考试方式， 在这种方式下，组织一次完整的考试至少要经历 5个步骤: 人工出卷、 试卷印刷、 考生考试、 人工阅卷、成绩统计。显然，随着各种考试类型 的不断增加和考试要求的不断提高，教师的工作量将越来越大;而且， 当考生数量比较大时， 对试卷印刷、考场安排、阅卷、成绩统计将是一 件十分烦琐且容易出错的事情. 可以说， 传统的考试方式已经不能适应 现代考试的需要。 随着计算机技术的发展， 计算机在各个领域的应用也 越来越广泛， 人们迫切需要利用计算机进行考试， 以避免传统考试方式 各个环节的漏洞， 减轻教师的工作负担和提高工作效率， 同时也提高考 试质量。 相 对 于 传 统 考 试 而 言 ， 计 算 机 考 试 系 统 的 优 势 在 于 p if ) : 1 .保密性强 通常卷面考试从出题到印刷、 下发试卷等环节需要较长的时间， 接 触的人员相对较多，给保密带来一定的困难; 而计算机考试系统则采用 试题库方式来提供试题来源， 考前无任何成套试卷， 考试时考生考卷由 计算机随机生成， 各考生试卷不完全相同， 避免互相参看导致作弊现象 或不公平成绩等;试题库可指定专人负责管理， 从而增强保密性。 2 .客观性较强 采用卷面考试时，由于出卷、印刷等问题，一般一次考试所印试卷 套数较少， 试卷整体覆盖面有限，容易形成小范围复习或猜题等倾向， 影响了测试的客观性， 另一方面也容易形成作弊现象; 计算机考试系统 采用随机抽题组卷的方式， 试题抽取面相对较大， 并且同时生成多套试 卷， 试卷整体覆盖面大， 可基本反映考生的实际水平， 防止突击复习或 猜题、作弊得高分等现象，从而保证考试的客观准确性. 3 .迅速准确，公平公正 第 6页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用 研究 对于标准化试题而言， 计算机考试系统可自 动评分， 迅速准确，无 任何人为因素， 从而避免人为误差及人情分等问题， 保证考试的公平公 正 。 4 .便于组织大规模的异地实时考试 以网络技术为支撑的现代计算机应用， 己经具备较大的规模并相当 普及， 利用计算机网络组织实施大规模异地实时在线考试已成为现代考 试中一种重要方式. 本在线考试系统具有通用性， 现在虽然只有计算机文化基础、 c语 言程序设计、 计算机硬件技术基础三门课程的试题库， 但只需简单地将 其它课程的试题库挂接在系统中， 或者通过系统的试卷生成模块将纸上 考卷转换为计算机上的无纸试卷， 即可用于该课程的考试， 如外语、 计 算机等. 系统在设计时就考虑到了可以应付不同规模的考试， 而且考试 规模的加大并不为系统的维护增加太多的负担。 本考试系统可用于多门计算机基础课程同时考试， 如计算机文化基 础、 c语言程序设计、 计算机硬件技术基础等课程可同时在线考试。为 全面考察学生掌握知识的情况， 本系统精心设计了多种题型， 这些题型 有选择题 ( 包括选择填空) 、填空题 ( 包括程序填空、 程序阅读题) 、 判 断题、主观题 ( 分问答题和编程题及wo r d . e x c e l 等操作题) 等4 种， 所有试题按题型、 科目、 知识点、 难易度、 复杂度、 分值等来归类，并 且在题库中按考试科目有序组织， 这些都有效保证了考试的内容、 形式、 要求统一而不失灵活。系统的主要目标为: 试题及考生信息分别按统一格式录人成 e x c e l 表，由系统自动 批量导人数据库中， 并可以对试题库和考生信息进行修改、 添加、 删除。 通过两级组卷( 中心组卷和考点组卷) ， 做到任何两个人的考试 试卷不会完全相同. 学生考试界面的布局能方便学生答题，教师监控系统有利于教 师的监考. 实现考试数据在中心和考点之间的网络互传，能够对每次考完 后的数据进行现场备份以及快速恢复 d 考试的客观题评卷完全由计算机自动完成，主观题实行人工评 卷。 为方便教师人工评卷，开发了程序模块使教师可以通过在线方 式进行评卷，或以单机方式进行评卷。 第 ，页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 序模块， 开发了将传统的纸上试卷输人转换为计算机上的数字试卷的程 方便了没有试题库的科目也可以进行在线考试. 评卷结束后，考生可以在网上进行成绩查询. 1 . 3 1 . 3 . 1 w e b 代理缓存与负载均衡技术的研究现状 代理缓存 代理缓存又称为代理服务器， 一般放置在一个企业或提供接入服务 的i s p中，为许多用户提供服务。由于功能单一，因此可以提供较大的 硬盘空间供其使用，所以 其命中率较高( 当然在不同的缓存替换策略之 间会有不同) ， 有研究证据表明， 命中率可以 达到 3 0 %一 5 0 %，因此代 理缓存不但减少了客户端的访问延迟， 而且降低了we b 服务器的负载， 因 为有一 些访问 是 在代 理 端发生的 2 1 代理缓存接收到一个请求时， 如果缓存中内容能满足这一请求， 那 么请求消息不会被转发， 而是直接由代理缓存返回响应。 在返回缓存的 响应时， 必须符合一些特定的条件。 有些代理缓存除了非常肤浅的修改 外，不会对请求或响应进行任何层次的改动 ( 即所谓的透明代理) ，比 如添加同它自己或接收消息的那台服务器有关的身份验证信息。 相反， 另外一些代理缓存可对请求和响应进行深层次的修改 ( 即所 谓不透明代理) 。对请求的一种典型修改是匿名，目 的是隐藏与一个代 理的客户机有关的信息。 对响应进行修改的一个例子便是媒体类型的转 换一图像从一种格式转换成另外一种格式，以减少响应数量. 目 前代理缓存系统有两种: ( 1 )被动或按需缓存 它是代理服务器用于保存远端服务器网页的机制 接从缓存中读取， 加快响应。缓存的网页一旦过期， 面返回给用户前必须从远端服务器上重新下载。 ，以便客户端能直 代理服务器在将页 2 ) 主动缓存 代理服务器观察缓存中的文件， 如果文件到期， 就会请求we b 服务 器获得最新文件。 第 8贞 代理缓存和负 载均 衡技术在在线考试系统中的应用研究 1 . 3 . 2负载均衡 现有的多种不同负载均衡技术可以满足不同的应用需求: 从负载均 衡所采用的设备对象上来分有软/ 硬件负载均衡;从应用的地理结构上 来分有本地/ 全局负载均衡;从应用的网 络层次 ( 指 o s i 参考模型) 结 构来分类有第二、 三、 四 、 七层负 载均 衡t 2 3 1 i .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d n s l o a d b a l a n c e 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。 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. 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( l o c a l l o a d b a l a n c e ) 和全局负载均衡( g l o b a l l o a d b a l a n c e ) ， 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器群中， 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 i p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】 n t r a n e t ( 企业内部互联网) 来达到资源统一合理分配的目的. 3 .网络层次上的负载均衡 针对网络上负载过重的不同瓶颈所在， 从网络的不同层次入手， 我 第 9页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 们可以采用相应的负载均衡技术来解决现有问题。 随着带宽增加， 数据流量不断增大，网络核心部分的数据接口 将面 临瓶颈问题， 原有的单一线路将很难满足需求， 而且线路的升级又过于 昂贵甚至难以实现，这时就可以考虑采用链路聚合 ( t r i in k u i g ) 技术。 链路聚合技术 ( 第二层负载均衡) 将多条物理链路当作一条单一的 聚合逻辑链路使用， 网络数据流量由聚合逻辑链路中所有物理链路共同 承担，由此在逻辑上增大了链路的容量，使其能满足带宽增加的需求 现代负载均衡技术通常操作于网络的第四层或第七层。 第四层负载 均衡将一个 i n t e m e t 上合法注册的 i p地址映射为多个内部服务器的 i p 地址，对每次t c p 连接请求动态使用其中一个内部 i p 地址，达到负载 均衡的目的. 在第四层交换机中， 此种均衡技术得到广泛的应用， 一个 目标地址是服务器群v i p( 虚拟i p v i rt u a l i p a d d r e s s ) .连接请求的数 据包流经交换机， 交换机根据源端和目的i p地址、 t c p 或u d p 端口号 和一定的负载均衡策略，在服务器i p和v i p间进行映射，选取服务器 群中最好的服务器来处理连接请求。 第七层负载均衡控制应用层服务的内容， 提供了一种对访问流量的 高层控制方式， 适合对h ttp服务器群的应用。 第七层负载均衡技术通 过检查流经的h t - i t报头，根据报头内的信息来执行负载均衡任务。 目前负载均衡用到的主要几种算法有:轮循均衡、权重轮循均衡、 随机均衡、 权重随机均衡、 响应速度均衡、最少连接数均衡、处理能力 均衡.但它们几乎都是静态的负载均衡算法。 1 . 4本论文要解决的问题 由上面论述可知， 代理缓存和静态负载均衡已 经有了很多理论上的 研究和探索，已经得到广泛的认可， 有的正在逐步成熟， 有的则是一种 很有发展潜力的概念。 目前的代理缓存主要是对静态页面进行缓存， 由于用户的不确定性 和动态内容的频繁改变， 使得一般的代理缓存不缓存动态页面。 根据考 试系统的特点: 考生确定， 考试内容已知且不改变， 我对代理缓存的设 计做了一些改进， 使之能够永久缓存动态生成而内容不变的页面。以后 考生如再次登人该动态页面， 只要从本地局域网中的代理缓存中读取即 可， 无需通过因特网从原始服务器中读取， 节省了用户大量的响应等待 时间， 也减少了网络流量。 这种方式对访问数据频繁而又要求稳定的考 第 1 0页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 试非常合适， 且能够大大减少对原始服务器的用户连接数， 使原始服务 器能够接受更多的考试用户。 与静态负载均衡相比， 现在对基于w e b内容的动态负载均衡技术的 研究则显得很不够， 上面论述的各负载均衡实现技术及均衡策略应用最 为广泛，但都不能有效的实施动态负载均衡，不针对特定 we b内容， 因此不能很好地用于考试系统中. 为此，本论文参考了当前国内外的一些相关的理论和研究成果， 设 计了一个基于考试内容的动态负载均衡系统.和其他负载均衡策略相 比， 这种动态负载均衡系统的设计目的是: 使用独立的数据采集模块收 集各服务器负载参数， 通过查找合适的h m报文信息来作出负载均衡 决策， 使负载能更好及时地分配到各服务器， 这种从网络的高层加以控 制的方式避免了流量分配的不公. 负载均衡实现的过程中最关键的一个因素是均衡算法，前面介绍的 几种算法都属于静态均衡算法 ( 最少连接数均衡算法除外， 但它也不属 于真正的动态均衡算法，因为它没有考虑到服务器的性能差异) ，单独 使用的效果不能令人满意，所以考虑结合改进多种算法来实现动态均 衡. 动态负载均衡步骤通常包括: ( a ) 各个结点间负载信息收集; ( b ) 根据所收集的负载信息进行决策; ( c )实现任务在各结点之间的迁移。 基于这种思想的负载均衡首先要能够及时获得服务器负载的当前 情况. 这可以 通过独立的数据采集模块收集负载参数来实现， 然后负载 均衡策略模块根据经过它的 h t t p请求报文和从数据采集模块获取的 负载参数进行计算来动态决定使用哪台 服务器. 数据采集模块只利用分 配的通信间隙进行负载采集，这样能减少对请求客户的影响. 整个在线考试系统的主要部分采用的是基于j s p 技术的b / s 结构体 系，我们提出的这种负载均衡和代理缓存策略技术完全适合这种环境， 且具有明显的效果: 它适用于不同考试科目不同规模的考试，考试人 数可以达到千人以上，同时具有很大的灵活性，既可适用于校园网内， 也可通过i n t e m e t 网在设有专门代理缓存的地方进行远程考试，使得该 系统的负载能力得到提高，使用范围得到扩大. 我们在开发北京交通大学 “ 在线考试系统” 时，对上面提到的负载 第 i n页 代 理 缓 存 和 负 载 均 衡 技 术 在 在 线 考 试 系 统 中 的 应 用 研 究 _ 均衡和代理缓存策略都做了考虑，并对有些问题进行了更进一步的研 究， 探索了一些新的实用技术，虽然这些技术没有来得及在 “ 在线考试 系统”中得到应用， 但可以相信， 它们对将来在线考试系统的进一步开 发和完善是很有意义的。 1 . 5论文的组织安排 第一章简单介绍了在线考试系统在现代考试中所具有的优势和 该系统的基本情况. 分析了代理缓存和负载均衡技术的现状， 并对改进 在线考试系统提出了所要解决的问题。 第二章对h ttp 协议做了分析， 并重点对和高速缓存及负载均衡 技术密切相关的部分进行了详细分析研究， 为在线考试系统结构设计的 改进提供了理论上的支持。 第三章 主要介绍了在线考试系统的体系结构和运行方式，以及各 模块的功能和部分现实， 并对系统中存在的一些基本间题进行了一般优 化，对优化结果做了性能测试。 第四章 提出一种和在线考试系统相适应的代理缓存方式，并对此 做了总体和详细设计，最后给出了代理缓存的性能分析方法。 第五章 在对当前各种负载均衡技术进行分析的基础上， 设计了一 种和在线考试系统相适应的负载均衡系统， 该系统中使用一种简单的负 载均衡自 适应算法，并给出了该算法的性能测试。 第六章总结了现有的工作，并提出下一步的工作。 第 1 2页 代理缓存和负 载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 第二章 h t 下 p 协议分析 2 门 h 丁 下 p 协议概述 we b 的运作取决于一个标准的、定义良 好的方式，以便 w e b 组件相 互进行通信. 超文本传输协议 ( h t t p ) 是在w e b 上传输资源最常用的方 式.h t t p ( h y p e r t e x t t r a n s f e r p r o t o c o l ) 规定了客户机、w e b服务器、 w e b 组件之间相互交换消息的格式和含义. 2 . ， . ， h t t p 的运作方式及消息结构 h t t p 支持客户机( 浏览器) 与服务器间的通信， 相互传送数据。 一个 服务器可以为分布在世界各地的 许多客户机服务。 h t t p 采用请求/ 响应 的 握手方式， 其基本的运作由以 下4 步组成” : ( 1 ) 连接: 客户机与服务器建立连接. ( 2 ) 请求: 客户机向服务器提出请求. ( 3 ) 响应: 如果请求被接收，则服务器送回应答，在应答中包括状态 码和所要的响应信息. ( 4 ) 关闭: 客户机与服务器断开连接。 其中 “ 客户机”与 “ 服务器”是一个相对概念，只存在于某个特定 的连接期间， 而非专用程序，即在某个连接中的 “ 客户机”在另一个连 接中可能作为 “ 服务器” .这也就是说对于h t t p 中的程序，应具有 “ 客 户机”与 “ 服务器”的双重功能。 h t t p 的消息有两类，即 “ 客户机” 发出的请求消息与 “ 服务器”发 出的响应消息.h t t p的请求消息采用了开放式的方法库形式，即方法 可以扩充. 用方法表示请求的目 的， 用u r l 表示某个方法用在哪个资源 上，完整的请求消息格式如下: 请求消息一 请求行。 通用信息头 请求头i 实体头) c r l f 实体内容 请求行= 方法 请求u r l h t t p 版本号 c r l f 方法= g e t h e a d p o s t p u t 扩展方法 第 1 3贞 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 u r l = 协议名称+ 宿主名十 目录与文件名 完整的响应信息格式如下: 响应信息= 状态行* ( 通用信息头响应头实体头) c r l f 实体内容 状态行二 h t t p 版本号状态码原因叙述 例: 用户代理、 代理机和服务器之间的h t t p 通信过程如图2 . 1 所示 图2 . 1 用户代理、 代理机和服务器之间的h t t p 通信示意图 2 . 1 . 2日 丁 t p / 1 . 。 请求方法 下面重点说明g e t , h e a d . p o s t 这三种方法的作用，因为这三种方 法是最经常用到的。 1 . g e t g e t 是最流行的方法.g e t请求可应用于由u r l指定的资源，并且 生成的响应是资源的当 前值. 这一响应会返回至发送请求的客户机. 如 u r l引用静态文件，g e t 请求将导致读取该文件，并返回其内容.如果 u r l 引用程序，则数据 如果有的话) 会作为响应主体而被返回。 在g e t 请求中可以 包含参数， 它们是根据用户的输人而构建的。 请 求c g i 资源是，便经常会出现这种情况.例如: g e t h t t p : / / w w w . a l t a v i s t a . c o m / c g i - b i n / q u e r y ? q = f o o 对于g e t 请求来说，假如其中含有请求修饰符，可能导致采取不同 的行动. 例如， 我们可对g e t 方法进行限制，以便只要当请求的资源的 最后一次修改时间大于由工 f - m o d i f i e d - s i n c e 标头指定的值时， 才将它 取回.用了请求修饰符 工 f - m i d i f i e d _ s i n c e 之后， 一方面可以缓解网络 的负担，另一方面还可缩短用户在等待响应时所感知的延时。如果在 i f - m i d i f i e d _ s i n c e 标头所指定的时间之后， 便没有再对资源进行修改， 服务器会发送一个响应码， 指出这一点 而不是伴随响应发送完整的实 体主体 但对于动态生成的资源来说， 最后一次修改时间的概念便完全 失去了意义。 第 1 4页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 g e t 方法没有请求实体。 如果存在请求实体，会被服务器忽略. 2 . h e a d h e a d 方法的唯一设计宗旨 便是获取同一个资源相关的元数据。 作为 h e a d请求的结果，不会返回任何响应主体。不过，服务器此时所返回 的元数据与使用g e t 请求方法是所返回的元数据应该是一样的。 h e a d方法的主要用途包括:以相当低的开销对服务器实现进行调 试， 并在不必实际检索资源的情况下， 判断它最近是否发生了改变。 元 数据既可以高速缓存， 也可用于对当前高速缓存的值进行更新 ( 在检测 到 资 源 发 生 改 变的 前 提 下) 。 在h t t p / 1 . 。 中， 通 过 对l a s t - m o d i f i e d 或 c o n t e n t - l e n g t h标头字段值进行检查，便可检测到是否发生了改变 然而， 由于资源可能在长度未变的情况下改变其内容， 所以纯粹的检查 c o n t e n t - l e n g t h 标头字段值将无法保证能正确地检测到改变， h e a d请求方法也没有请求主体。如果存在请求主体，会被服务器 忽略。 3 . p o s t 与用来检索信息的g e t 和h e a d 方法不同，p o s t 方法主要用于更新 现有的资源， 或提供输人功能，以便对数据进行处理. 请求主体含有数 据， 取决于r e q u e s t - u r l ，原始服务器可能允许执行特定的动作.p o s t 方法能更改资源内容，所以它是一种不安全的方法。 2 . 1 . 3盯丁 p / 1 . 0 标头字段 标头字段 ( 简称 “ 标头，) 是一种自由格式的 a s c i i字符串，代表 通常指定了值的名字。标头在 h t t p协议中起着重要的作用，并且是对 请求的处理方式进行更改的主要手段。 标头可用来提供与资源有关的元 数据， 如它的长度， 编码格式和语言等. 也可将标头想象成一种参数化 机制，或用于描述请求或响应.响应标头可指出响应是否被高速缓存， 或如何对消息进行解码， 以获得原始实体 ( 比 如指出用于转换它的压缩 算法等 ) . h t t p 消息可包含任意数量的标头， 每一个都由c r ( 回车) 和l f ( 换 行) 字符加以定界。当请求或响应数据通过代理而流经网络时， 针对标 头在消02 、 中的转发及解释机制， 有一些特定的规则同它们联系。对特定 类型的h t t p 请求一 响应消息来说， 有一些标头是必需的。 大多数标头都 是可选的，w e b组件出于特定的理由才会添加它们。w e b组件可忽略可 第 1 5页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的 应用研究 选的标头。这些组件包括客户机、 代理和服务器。 标头采取的一种标准语法:一个名字加一个值，中间用 “ : ”字符 隔开。例如，为了指出消息的生成时间，d a t e标头可以采取以下形式 包含于消息中: d a t e : t h u : 2 3 d e c 1 9 9 9 0 8 : 1 2 : 3 1 g m t 其中， 字符串 “ d a t e ”是标头字段名， 字符串 “ t h u : 2 3 d e c 1 9 9 9 0 8 : 1 2 : 3 1 g m t 是字段值. h t t p定义了标头的分级结构。h t t p / 1 . 0中的消息标头是标头的标 准名，包括: ( 1 ) 在请求和响应消息中使用的g e n e r a l( 常规) 标头; ( 2 ) 在请求消息中使用的r e q u e s t ( 请求) 标头， 它可用于表示有关 响应的首选参数， 用于随请求一起包含附加的信息， 或用于对规定处理 请求的服务器进行限制; ( 3 ) 响应消息中的一个 r e s p o n s e ( 响应) 标头，用于提供有关响应 的附加信息，或用于向用户请求附加信息; ( 4 ) 请求和响应消息中的 e n t i t y ( 实体) 标头，实体标头用来提供 与实体相关的信息， 比如它的修改时间等。 如未能识别成常规标头或者 请求一 响应标头，则把它当作实体标头对待. 如果标头无法由消息的接收方所识别，它应被简单地忽略.然而， 如果接收方是代理的话，那么代理应转发该标头. 以下针对代理缓存和负载均衡中可能用到的一些标头分类说明如 下. 1 .常规标头 p r a g m a : p r a g m a 标头允许将伪指令发送给接收方。利用伪指令， 可请求组件在处理请求或响应时， 采用特定的方式行动， 伪指令通常都是任选的， 具体由 协议来决定.例如伪指令 “ p r a g m a : n o - c a c h e ， 它用于通知路径中的 代理， 不要返回高速缓存的副本; 即发送方要求直接从原始服务器那里获得响应 c a c h e - c o n t r o l : c a c h e - c o n t r o l 标 头 用 于 在 请求 和 响应中 发 送 指 令，并限制高速缓存组件的行为，该标头将在下一小节中详细阐述。 2 .请求标头 第 1 6页 .卫t 理 w 查 和 负 载 均 衡 技 术 在 在 线 考 试 系 统 中 的 应 用 研 究 请求标头可由客户机用来随请求一道发送相关的信息， 或用来限制 服务器对请求如何进行处理.发送的信息可以是有关客户机的附加信 息，比如用户或用户代理的标识信息，或者是身份凭证。 i f - m o d i f i e d - s i n c e : i f - m o d i f i e d - s i n c e 是条件标头的一个例子， 指出将根据标头字段中指定的值， 用不同的方式来处理请求。 如果以前 服务器的响应已被高速缓存在客户机或代理中， 那么在l a s t - m o d i f i e d 响应标头中指定的值将在后续的g e t 请求中作为i f - m o d i f i e d - s i n c e 标 头内的参数使用。如对下面的请求来说: g e t / f o o . h t m l h t t p 八. 0 i f - m o d i f i e d - s i n c e : s u n , 2 1 m a y 2 0 0 0 0 7 : 0 0 : 2 5 g m t 服务器会将i f - m o d i f i e d - s i n c e 标头中指定的值与资源的最后一次 修改时间进行比 较.如果自s u n , 2 1 m a y 2 0 0 0 0 7 : 0 0 : 2 5 g m t 以 来， 资源没有改变，那么服务器会只返回3 0 4 n o t m o d i f i e d 响应。对于不 经常改变的资源， 这有助于减少不必要的数据传输. 服务器不必要重新 生成资源， 而且由于客户机可在本地获得内容， 也有助于缩短用户所感 知的延迟。 3 响应标头 正象请求标头用于发送与请求有关的附加信息，响应标头则用来发 送更多与响应和始发响 应的那个服务器有关的信息。 如果响应标头不能 被识别，便假定它为实体标头。 l o c a t i o n : l o c a t i o n 标头用来将请求重定向 至可真正找到资源的地 方，它在重定向类的响应中特别有用，l o c a t i o n标头的语法如下: l o c a t i o n : h t t p : / / w w w . f o o , c o m / l e v e l l 八w o s d o w n / l o c a t i o n . h t m l 由于针对一个请求，可在响应中选择一个资源的多种变体，所以 l o c a t i o n标头提供了一 种方法来标识所选变体的位置.假如同 时在多 个镜像站点复制了 一系列资源， 那么可用l o c a t i o n标头来指出正确的 站点，以便客户机从那里获取所需的资源。假如作为一个请求 ( 比 如 p o s t ) 的结果，而创建了新的资源，那么 l o c a t i o n 标头用于对创建的 资源进行标识。 4 实体标头 实体标头用来包含与实体主体或资源 假如实体主体不存在的话) 有关的信息。 实体标头是被请求或发送的特定资源的一种属性。 实体标 头在请求和响应中都可存在。 无法识别的常规、 请求或响应标头会被当 作实体标头对待 在请求和响应消息中， 可自由加人新标头， 利用它添 加同实体有关的新的元数据， 而不必担心它被错误得解释为一个常规、 第 1 7页 代理缓存和负载均衡技术在在线考试系统中的应用研究 请求或响应标头。常见实体标头见表2 . 1 , 表2 . 1常见实体标头 实体标头名实 体 标 头 作 用 c o n t e n t - t y p e 指出实体主体的媒体类型，例如 i m a g e / g i f , t e x t / h t m l 或a p p li c a t i o n / x -j a v a s c r i p t 等. c o n t e n t - l e n g t h指出实体主体的字节长度。 e x p i r e指出在指定的时间之后，实体就应当过期并失效。 l a s t - mo d i fi e d 指定了资源最后一次修改的时间. 2 . 1 . 4 h t 下 p / 1 . 。响应类别 每条h t t p响应消息都以s t a t u s - l i n e 状态行) 开始。状态行包括 3 个字段:服务器的协议版本号、响应码以及一个自 然语言原因短语。 在服务器处进行处理的请求有可能成功、 失败或者被重定向到另一台服 务器。 请求消息中可能含有语法错误， 或者服务器在处理请求时出现问 题. 不同 种类的响应组成响应类( r e s p o n s e c l a s s e s ) 集合。 在h t t i 中， 5 类响应中的每一类都有几个响应码。每个响应码都是3 位整数。这5 个响应类包括信息类，其响应码是以 1 开头的3 位整数 ( 写作 1 x x ) , 成功类 ( 2 x x ) , ，一 重定向类 ( 3 x x ) 、客户机错误类 ( 4 x x )以及服务器错 误类 ( 5 x x ) . 从状态行字段中获得响应码，可以检测出h t t p 一系列的错误信息， 因而能透明地将连接请求重新定向到另一台服务器 或缓存) ， 以便为用 户继续提供服务.例如，a 服务器不能使用或者数据库出现错误，错误 信息将会返回到负载均衡器上， 然后将客户的访问重定向到b 服务器或 者将消息重放到其他数据库中去，整个过程对用户是透明的。 2 . 2 h 下 t p 协议与高速缓存的关系 高速缓存存储着可供以后重新使用的响应。h t t p规定了与高速缓 存有关的几个重要规定. 这些规则