（计算机应用技术专业论文）基于多网卡绑定的负载均衡技术的研究.pdf

摘要 随着网络技术的发展，视频传输等流媒体技术得到了很大的发展，流媒体不同于其 他数据类型的传送，要求高的带宽、低的时延和包丢失率。多网卡绑定( 作为一种低廉 的技术) 可以提高服务器链路带宽，明显的改善网络的性能，而且能够减少因链路故障 而导致的单点故障。当多个网卡端口绑定起来工作时，系统决定目前使用哪一个网络端 口来传送数据，负载均衡作为一种机制来选择链路，使各端口的网络负载相等。 本文设计了基于多网卡绑定的视频传输系统。在多网卡绑定的基础上，利用r t p 负载格式优化策略和r t p 打包以后数据独特的分发策略，有效的解决了在并发访问大的 情况下由于网络带宽不足而产生的拥塞现象。实验结果证明，在并发访问大的网络状况 下，此系统降低了丢包率，提高了传输效率。 通过考虑每条链路的等待队列的长度及其性能，将流量分配到多个网络中，提出了 一种基于多网卡绑定的最快到达客户端的链路的负载均衡策略，服务器收到数据以后， 选择一条能最快到达客户端的链路进行传输，将流量分配到多个网络中，传输带宽得以 成倍增长，不同通道实现了负载均衡，同时也能互为备份，保证了链路的冗余性。有效 地解决了负载均衡问题，提高了带宽的利用率。 设计了基于多网卡绑定的视频传输系统，给出了系统模型和基本流程，以及各个模 块的基本功能等。该系统增大了带宽，较好的解决了负载均衡问题，降低了时延和包丢 失率。 关键词：多网卡绑定；视频传输；流媒体；r t p 负载；负载均衡 r e s e a r c ho fl o a db a l a n c i n gb a s e do nb i n d i n gm u l t i p l en i c s l uh o n g x i a ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rs u o h o n g g u a n g a b s t r a c t a l o n g 、析mt h e 。d e v e l o p m e n to f t h en e t w o r kt e c h n o l o g y , t h es t r e a m i n gm e d i at e c h n i q u e s u c h 嬲v i d e ot r a n s p o r t a t i o nh a sd e v e l o p e dg r e a t l y t h es t r e a m i n gm e d i ai sd i f f e r e n tf r o m o t h e rd a t at y p et r a n s m i s s i o n , w h i c hr e q u e s t st h eh i 曲b a n d w i d t h ，t h el o wd e l a y , a n dt h el o s s r a t eo fp a c k a g e s t h em u l t i - n e t w o r kc a r db i n d i n g ( a so n ek i n do fi n e x p e n s i v et e c h n o l o g y ) m a ye n h a n c et h es e r v e rl i n kb a n d w i d t h , a n di m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c ea p p a r e n t l y ； m o r e o v e ri tc a nr e d u c et h es e r v e rb r e a k d o w nb e c a u s eo ft h el i n kb r e a k d o w n w h e nm a n y n e t w o r kc a r dp o r ta r eb o u n dt ow o r kt o g e t h e r , t h es y s t e md e c i d ew h i c hn e t w o r kp o r ts h o u l d b eu s e dt ot r a n s m i tt h ed a t aa tp r e s e n t ，a n dm a k et h el o a db a l a n c ea c h i e v e m e n t 嬲o n ek i n do f m e c h a n i s mf o rc h o o s i n gt h el i n k ，c a u s i n gt h en e t w o r kl o a do fe v e r yp o r t st 0b ee q u a l t h i sp a p e rd e s i g n sav i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nb i n d i n gm u l t i p l en i c s w i t l l t h eb m d i n gm u l t i p l en i c s ，r t pl o a do p t i m i z i n gs t r a t e g ya n dt h ed a t a ss p e c i a ld i s t r i b u t i o n s t r a t e g yo fr t pp a c k e t ，t h ep r o b l e mo fc o n g e s t i o nd u e t ot h en e t w o r kb a n d w i d t hd e f i c i e n c y u n d e r l a r g ec o n c u r r e n c ys i t u a t i o nc a n b ee f f e c t i v e l ys o l v e d t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a ti nt h e l a r g ec o n c u r r e n c yn e t w o r k , t h es y s t e mr e d u c e st h ep a c k e tl o s sr a t ea n di m p r o v e st r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y t h r o u g hc o n s i d e r i n gt h ew a i t i n gf o r m a t i o n sl e n g t ha n dt h ep e r f o r m a n c eo fe a c hl i n k , a n da s s i g n i n gt h ec u r r e n tc a p a c i t yt om a n yn e t w o r k s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dak i n do fl o a d e q u a l i z a t i o ns t r a t e g yw h i c hb a s e do nt h em u l t i n e t w o r kc a r da n da r r i v et h ec l i e n ts i d el i n k m o s tq u i c k l y w h e nr e c e i v i n gt h ed a t a , w ec h o o s e so n et ob ea b l et oa r r i v et h ec l i e n ts i d el i n k t oc a r r yo nt h et r a n s m i s s i o nm o s tq u i c k l ya n da s s i g n st h ec u r r e n tc a p a c i t yt om a n yn e t w o r k s ， t h et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ha l s oc a ng r o wb ym u l t i p l e ，t h ed i f f e r e n tc h a n n e l si m p l e m e n tt h e l o a de q u a l i z a t i o n , a n dc o u l db e c o m ee a c ho t h e r sb a c k u ps i m u l t a n e o u s l y , t h e ya l s og u a r a n t e e t h er e d u n d a n c yo ft h el i n k s ot h ep r o p o s a lc o u l ds o l v et h el o a de q u a l i z a t i o np r o b l e m e f f e c t i v e l y , a n du s et h eb a n d w i d t hh i g h l ye f f e c t i v e t h i sp a p e rd e s i g n sv i d e of r e q u e n c yt r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e d0 1 1t h em u l t i n e t w o r k , i i a n di tg i v et h es y s t e mm o d e la n dt h eb a s i cf l o w , a sw e l la se a c hm o d u l eb a s i cf u n c t i o na n ds o o n t h i ss y s t e mi n c r e a s e st h eb a n d w i d t h , s o l v e sl o a de q u a l i z a t i o nq u e s t i o nb e t t e r , a n dr e d u c e s t h el a t e n c ya n dl o s sr a t eo fp a c k a g e s k e yw o r d s ：b i n d i n gm u l t i p l en i c s ，v i d e ot r a n s m i s s i o n , r t pl o a d ，s t r e a m i n gm e d i a , l o a db a l a n c e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 l 学位论文作者签名： 吼 咖产 ?l 孕月易日 i ， 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：忉7 年名月多日 醐嘞夕年争月乡日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 进入9 0 年代后，i n t e m e t 发展更加迅速，其网络的规模每月增长1 0 左右，业务量 每6 - 9 个月翻一番，比c p u 性能提高的摩尔定律【1 ，2 j ( 约1 8 个月左右翻一番) 还要快1 5 倍。2 0 0 6 年7 月1 9 日，中国互联网络信息中已, ( c n n i c ) 发布第十八次中国互联网络 发展状况统计报告显示【3 1 ，截止到2 0 0 6 年6 月3 0 日，我国网民人数达到了1 2 3 亿人， 与去年同期相比增长了1 9 4 ，其中宽带上网网民人数为7 7 0 0 万人，在所有网民中的 比例接近2 3 ；我国网站总数达到了7 8 8 ，4 0 0 个，其中今年上半年增长了9 万个，网络 国际出口带宽总量则达到2 1 4 1 7 5 m ，与去年同期相比增长率为1 5 9 2 ；2 0 0 6 年上半年 我国网民总数增加了1 2 0 0 万，是2 0 0 5 年下半年网民增长人数的1 5 倍。在我国网民数 量持续增长的情况下，使用宽带上网的网民人数增长速度更快，宽带上网网民总数达到 7 7 0 0 万人，与去年同期相比增加了2 4 0 0 万人，增长率为4 5 3 ，而宽带上网的计算机 数也迅速增长到2 8 1 5 万台，真正迎来了“宽带时代，未来“宽带商务等必将成为互 联网应用中的新热点。此外，2 0 0 6 年以来，c n 域名的各种应用价值被进一步发掘，尤 其是博客、c n 域名和个性化邮箱的应用，带动了拥有独立域名网站数量的上升。总体 而言，我国互联网正处于一个新的高速增长时期，与g d p 增长率相近的印度相比，中 国的互联网普及率高了一倍。i n t e m e t 正在逐步改变着人们的生活习惯、工作方式和交 流途径。 网络应用日益丰富，一方面，因为企业网络信息化使用需求的提高使企业内部网络 建设发展迅速，网络性能和节点数迅速增加，内部用户对于出口带宽的要求也越来越高， 单条链路已不能完全解决企业内部用户对出口带宽的要求；另一方面，企业越来越多地 使用互联网来传送关键任务应用，只有一个链路连接到i n t c m e t 将导致单点失败和网络 极其脆弱，一旦出现网络中断，企业在冗余系统方面的所有的投资立即付诸东流，它和 它的客户都会面临长时间的停机，遭受严重的经济和社会效益的损失。而且，i n t e m e t 接入链路的资费也在不断下降，在这样的背景下，很多政府部门、学校、企业等的局域 网络都逐步发展成了多链路的i n t e r a c t 接入方式。 随着流媒体技术的发展，市面上也出现了多种流媒体系统，而其中r e a l n e t w o r k s 公司以其成熟的产品线和稳定的性能深受广大流媒体用户的喜爱。但是随着网络用户数 目的剧增，并且由于流媒体本身对网络要求比较高，视频传输不同于其他数据类型的传 第一章绪论 送，它需要较高的带宽、低的时延和包丢失率，现在流媒体服务器的负担越来越大，必 须通过增加服务器的数量来缓解压力，才能保证提供给用户的流媒体的质量。这样做并 不能从根本上解决问题，在这种情况下我们希望提供一种增带宽的技术，更好的满足客 户的要求。同时网卡作为服务器与网络数据交换的界面，若服务器上的网卡一旦损坏， 如网卡失效或者网络电缆中断，或者一个无意的动作( 如一脚踢掉了网线的插头) ，都 会导致用户与服务器的连接失败，网络瘫痪将是毋庸置疑的。因此网络系统的高可用性 也是服务器有待解决的问题。 当前提升出口带宽有很多途径，常用的有： ( 1 ) 加大公网、以太网的接入带宽。该方案实施难度大，接入费用高，并且由于公 网和以太网的交换瓶颈( 尽管最终会消除) ，访问c h i n a n e t 的速度并不会有太大提升； ( 2 ) 通过当地的i s p 接入互联网。目前各大i s p 为了增加客户，尽快收回投资，i s p 间竞争日趋激烈，各i s p 的接入速度快，接入费用大幅度下降。因此，采用多条宽带链 路接入i n t e m e t 成为可能。 采用多网卡链路绑定策略m n c b ( m u l t i p l en e t w o r kc h a n n e lb o n d i n g ) 正是在这种背 景下提出来的，它主要针对提高服务器的网络吞吐率及高可靠性。 当多个网卡端口绑定起来工作时，多条链路是独立的。在某些时段，链路负载相差 很大，一条链路负载极重，而另一条链路的负载却很轻，降低了带宽的利用率和可靠性。 这就必须有一种机制来选择链路，并且这种机制应尽量使各端口的网络负载相等，这就 是负载均衡算法，通过负载均衡的应用，提高各条链路的利用率。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 多网卡绑定的研究现状 对于多条链路绑定，已经有很多硬件厂家注意到这个问题，并提出了自己的解决方 案，例如s u n 公司的t r u n k i n g ( 链路聚集) 技术，3 c o m 公司的d y n a m i c a c c e s s ( 动 态存取技术) ，c i s c o 公司的f a s te t h e rc h a n n e l ( f e c ) 太网信道技术，i n t e l 的a d v a n c e d n e t w o r ks e r v i c e ( i a n s ) ，a l t e o n 的f a u l tt o l e r a n c e 。他们的解决方案都需要在硬件上配置 专用的芯片来完成计算任务。其中3 c o m 和s u n 采用软硬件结合的方式。 华中科技大学的胡修林，王运鹏，郭辉( 2 0 0 5 ) 【4 】考虑到n a s ( n e t w o r ka t t a c h e d s t o r a g es y s t e m ) n 艮务器处于网络中的中枢位置，为了提高网络性能和安全，提出了多网 卡链路绑定m n c b ( m u l t i p l en e t w o r kc h a n n e lb o n d i n g ) 的解决方案。描述了在f r e e b s d 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 操作系统下实现m n c b 的解决方案。着重描述了网卡负载均衡a l b ( a d a p t e rl o a d b a l a n c i n g ) 和网卡出错冗余a f t ( a d a p t e rf a u l tt o l e r a n c e ) 技术，并对该方案的性能和提高 网络可用性做出了分析。研究表明，多网卡链路绑定解决方案可以明显增加系统整体网 络接口的吞吐率和提高网络子系统的可用性。 哈尔滨商业大学的杨硕，王宇颖( 2 0 0 4 ) 1 5 】研究了一种应用于附网存储系统中的网 卡并行扩展技术，解决了在周围环境不支持轮循操作的情况下如何获得并行网络带宽的 问题，从而有效地克服了附网存储系统中的网络瓶颈，实现了节约网络设备资源，提高 数据传输速率的目的。 天津大学的张振峰( 2 0 0 5 ) 【6 】介绍了具有多网卡绑定和高效数据压缩技术v p n 的 必要性；介绍了多网卡绑定技术的发展状况，主要有3 c o m 公司的动态存取技术，s u n 公司的链路聚集技术和c i s c o 的以太网信道技术，这些都需要硬件的支持；研究和讨 论了t c p i p 协议，包括他的数据结构和数据封装技术，为对数据包的操作做好准备； 研究了n d i s 的相关技术，主要讨论了中间层驱动程序的结构、用途和开发中间层驱动 程序的主要技术，并对n d i s 对负载均衡的支持作了讨论，这也是实现m n i c 双网卡绑 定的最重要的技术；实现了双网卡绑定的中间层驱动程序m n i c ，给出了实现原理，并 对其中重要数据结构和解决的问题进行了详细分析，为其他网卡绑定方式的实现提供了 参考，并且为今后加入对数据的压缩提供了操作的空间；最后通过实验证明m n i c 实现 了预期的效果。 张延红等( 2 0 0 6 ) r l 利用n i ce x p r e s se n t e r p r i s e 网卡绑定功能进行双网卡绑定构建 负载均衡服务器的具体方法和步骤。实验结果表明，双网卡绑定后服务器的网络传输提 速，抗并发访问的能力提高，可以保证服务器访问的稳定和畅快，而且可以有效均衡负 载和提高容错能力。 西安交通大学的伍卫国，董小社，刘爱华等( 2 0 0 5 ) 【8 】基于链路聚集技术，提出并 实现了一种适用于集群服务器系统的前端接口子系统方案，使得接口子系统中的接口机 数目能随应用规模的变化而扩展，并增强了集群系统的可用性。链路聚集将多条物理链 路聚合成一条单一虚拟的媒体访问控n ( m a c ) 逻辑链路，通过将虚拟m a c 解析为集群 系统对外服务的虚拟i p ) ，使多台接1 3 机表现为单一p 的功能。利用链路聚集能在 多条物理链路间进行负载均衡的功能，结合接口机的负载均衡策略来实现层次型的负载 均衡，有效地提高了系统的i o 带宽。利用链路聚集的链路级容错，结合接口的检测机 制实现了系统的高可用功能。理论分析和实验测试结果均表明，该方案能有效扩展集群 3 第一章绪论 系统的i o 带宽和处理能力。 1 2 2 负载均衡的研究现状 北京理工大学的郑海洋，宿红毅，李毅( 2 0 0 5 ) 【1 5 1 从目前比较流行的c d n 技术( 内 容分发网络) 的缺点着手，提出以“鼎点天源 宽带平台为架构的分布式视频点播网络。 在分析基于媒体服务器的统计策略和统计调度策略的基础上，深入研究了视频服务器组 间负载均衡策略，同一视频服务器组不同媒体服务器间的负载均衡策略。 在研究中以中央视频服务器组和边缘服务器组为例，设计了视频服务器组间和视频 服务器内部的负载均衡策略。 北京邮电大学的王炜，马跃，蒋砚军( 2 0 0 0 ) 【9 】指出以往多链路调度算法存在的缺 陷，提出了一种在多个物理链路间分片与重组报文的调度算法，克服以往缺陷，从而实 现系统性能的优化。 对于从网络层收到的下行数据，多链路模块要在各子链路中轮询发送，r f c l 9 9 0 并没有对多链路的报文分片调度提供具体的规定，仅指出了两种简单的轮询发送方法。 方法1 ：对于收到的上层数据报文，简单轮询所有子链路，找到一条非阻塞链路发 送，若报文长度超过该子链路的最大传输单元，则按最大传输单元进行分片，若报文长 度小于该子链路的最大传输单元，则不分片而直接传输。这种方法因为整个数据报文不 分段或是在一条子链路上分段发送的，所以报文的重组时延比较短，接收端报文片段缓 冲区占用也比较小，但存在一个缺点：当系统处于轻负载的情况下，得到的仅是单链路 的带宽，不能充分利用多链路提供的带宽。 方法2 ：对于收到的上层数据报文，轮询所有子链路，找到所有非阻塞链路。把数 据报文在所有这些非阻塞子链路上分片，各片段的大小可以不同，与各个子链路的速率 成正比。这种方法在系统轻负载时可以充分利用多链路的带宽，但实际上也存在问题： 即在系统负载很重的情况下，各个子链路上由于线路抖动，造成数据积压或丢弃，导致 的队列长度差别很大，简单在所有的非阻塞链路上分片，将导致报文重组时延过长，接 收端缓冲区占用过大，而且一旦发生这种状况，性能很难恢复，因此，在重负载下报文 传输速率并不一定能得到提高。为了在任何负载情况下都能充分利用多链路高带宽的优 越性，提出了一种多链路调度算法，力求减小报文重组的时延，从而减小缓冲区的占用， 提高系统的性能，充分而公平的利用各个物理线路的带宽。 所谓公平的调度原则【5 】就是要使每个物理链路在相同的时问内得到相同的规范化 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 业务。初始所有会话的势能均为0 。在任意时刻，系统总是调度所有物理链路中势能最 小的，若几个物理链路的势能相同，则系统按照为每个物理链路预留的速率比例进行调 度。这样，所有物理链路的势能都几乎相同，并以几乎相同的速率上涨，达到了极好的 公平效果。 北京理工大学的姜少峰，宋瀚涛等人( 2 0 0 6 ) f l o 】提出一种a dh o e 网络中的负载均 衡多速率路由算法l b m r 。该算法充分考虑8 0 2 1 1 无线环境中固有的多速率特性，通 过网络中每个节点周期性地发送邻节点信息构造一张高速转发表。l b m r 根据转发表进 行转发时不仅考虑高速链路，而且根据收集到的邻节点链路层队列信息，选择一条高速 且时延较低的路径，以避免加重局部拥塞，使得网络的负载能更加均匀地分布。模拟结 果表明，l b m r 对网络吞吐量有较大提高。 南开大学的王海英和张建忠( 2 0 0 4 ) 1 1 】提出链路负载均衡技术，分析了链路负载均 衡的特点，利用s n a t 技术实现双向数据流的引导，提出计算链路负载的公式和正常状 态随机法、最短路由最小负载法两个均衡算法。 中国科学院计算技术研究所的叶晨( 2 0 0 6 ) 1 2 1 通过对网络中两种基于多链路负载均 衡策略的工作原理和运行机制的分析，提出两种解决多链路和多接人路由器情况下流量 进出负载均衡的策略，并实验和具体的实施对这两种策略的机制和工作原理进行了分析 和比较。表明链路负载均衡策略是一种高效的、可靠的、灵活的技术手段，在实践中有 较高的应用价值，并通过实验剖析两种技术在实际应用过程中所产生的问题。 华东理工大学的朱尚明，高大启( 2 0 0 7 ) 1 3 1 分析了实现均衡路由的功能模型和算法， 重点研究了l d m ( 多路径负载分配) 算法。为了充分利用候选路径的信道容量，提出了 一种改进的l d m 算法。改进后的算法在多个候选路径之间根据比例系数均衡分配通信 流量。通过算法性能分析表明：改进后的算法和最初的l d m 算法具有相同的复杂度， 但对于给定的通信流量能够提升网络性能。 为了进行问题描述，首先给出一些均衡路由问题的前提假设。假设使用源路由( 显 式路由) ，路由决策在流水平上实现，网路拓扑信息对所有源节点是已知的( 例如使用 o s p f 协议) ，源目标节点间已静态地设置了一个或多个显式路由路径或标签交换路径。 且实际流量的变化是可知的。对一个流的候选路径集的计算是动态进行的，取决于当前 网络的拥塞水平和路径的q o s 状态信息。为简化起见，本文使用链路利用率作为网络 的拥塞水平，额外跳数作为路径的q o s 状态。额外跳数定义为源目标节点间给定路径 的跳数和最短路径的跳数之差值。 5 第一章绪论 均衡路由的任务就是决定如何在源目标节点的多个候选路径集间分配流量，以使 每个链路的利用率均衡。候选路径集的设置可以在动态网络状态发生重大变化时预计 算，或根据新到的用户业务流按需计算。对每个新到的用户业务流，根据比例系数，负 载被分发到多个候选路径上，而比例系数的计算取决于路径的利用率和额外跳数 1 3 1 。 为了进一步提高l d m 算法的性能，本文引入均衡路由的思想，提出了一种改进算 法，改进后的l d m 算法在多个候选路径上按一定的比例系数来均衡地分发流量。 东南大学的姚婕( 2 0 0 5 ) 1 4 】通过分析i g p 的局限性，提出基于动态负载均衡的 d l b o s p f 路由算法。该算法依据数据流的带宽需求和网络资源的使用状况来进行路由 选择，并通过有效手段将数据流更合理地分配到能满足传输需求的链路上。经过示例分 析表明，该算法不仅能减少网络拥塞，并且提高了网络资源利用率。 1 3 论文研究的目标和内容 根据视频传输的高带宽的需要，对网卡的驱动进行改进，多个网卡共用一个驱动程 序进行驱动，达到多个网卡共用一个i p ，各自有各自的m a c 地址，实现向多个i s p 传 输，即多个网卡绑定，并且分析其负载均衡，达到最大利用带宽，降低企业的成本，增 强网络接入连接的可靠性、稳定性和持续性。 收到数据以后，通过考虑每条链路的等待队列的长度，将流量分配到多个网络中， 选择一条能最快到达客户端的链路进行传输，传输带宽得以成倍增长，不同通道实现了 负载均衡，同时也能互为备份，保证了链路的冗余性。有效地解决了负载均衡问题，高 效的利用了带宽。 在实现多出口链路的基础上，再进一步研究负载均衡的策略。从而达到最高的带宽 利用率。最终的目标是增加带宽，有效地解决负载均衡问题，让服务端及时地响应每一 个客户实时点播的节目，避免众多客户争用带宽造成反应慢，甚至造成数据丢失而导致 客户端的请求得不到响应的问题。 本文的研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 多网卡绑定技术的研究 目前的多网卡绑定技术主要是集中在上层，这样，需要修改应用程序和相关的协议， 因此我们提出通过修改网卡驱动的方法，这样既减少了上层应用程序的修改，同时也保 护了我们的知识产权。 ( 2 ) 负载均衡的研究 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 通过考虑每条链路的等待队列的长度，将流量分配到多个网络中，选择一条最快到 达客户端的链路进行传输，不同通道实现了负载均衡，同时也能互为备份，保证了链路 的冗余性。有效地解决了负载均衡问题，高效的利用了带宽。 ( 3 ) 基于多网卡绑定的负载均衡策略的研究，从而达到最高利用带宽。 要做到出口链路的自动切换。针对不同链路的网络流量、通信质量以及访问路径的 长短等诸多因素，对访问产生的进出流量所使用的链路进行调度和选择。在某一链路发 生故障而中断时，可以自动将其访问流量分配至其他尚在正常工作的链路上，避免了i s p 链路上的单点故障。 1 4 论文的组织结构 本论文共分为六个章节，其中： 第1 章为绪论，主要介绍了论文的课题来源及研究背景、多网卡绑定技术和负载均 衡的研究现状以及论文的主要研究内容。 第2 章介绍了多网卡绑定技术的关键技术及基本知识，包括多网卡绑定技术的概 念、r t p 负载格式的优化、负载均衡技术等内容。 第3 章分析了目前常用的负载均衡算法，通过考虑每条链路的等待队列的长度，将 流量分配到多个网络中，提出了一种基于多网卡绑定的最快到达客户端的链路的负载均 衡策略。 第4 章针对流媒体传输的现状和出现的问题，设计了基于多网卡绑定的视频传输系 统。在多网卡绑定的基础上，利用r t p 负载格式优化策略和r t p 打包以后数据独特的 分发策略，有效的解决了在并发访问大的情况下由于网络带宽不足而产生的拥塞现象。 实验结果证明，在并发访问大的网络状况下，此系统降低了丢包率，提高了传输效率。 第5 章描述了基于多网卡绑定的视频传输系统的实现，给出了系统模型和基本流 程，以及各个模块的基本功能等。 第6 章是全文工作总结以及进一步的工作展望。 7 第二章相关技术研究 第二章相关技术研究 2 1 多网卡绑定技术 2 1 1 多网卡绑定的含义 随着计算机网络的飞速发展，网络已经成为社会的基础通信设施。对于那些分支机 构众多的大公司企业而言，以前各分支机构互访所采用的常规方法是租用专线，这样的 连接方式一则要支付昂贵的通信费用，再则缺乏灵活性，对于企业地理位置的改变不能 很好的适应。随着企业业务和自身应用需求的发展，企业之间的合作及企业与客户之间 的联系也日趋紧密，且这些合作和联系都是动态的，总是处于变化和发展之中，这种关 系也需要靠网络来加强。这样不但带来了网络的复杂性，还带来了网络的管理和安全性 问题。如果通过公用的因特网是很难保证其安全性的，因为因特网是一个全球性的和开 放性的、基于t c p i p 技术的，不可管理的国际互联网络，基于因特网的商务活动就面 临着信息威胁和安全隐患。在这样的背景下，一种基于公用网络的动态、安全的连接解 决方案就成为时代之需，v p n 技术就是这样一种网络技术。v p n 技术的成功引入可以 从根本上满足企业用户的低通信费和高灵活性的双重需求，更重要的是它可以提供与专 用线路相媲美的通信安全保障，是一种非常廉价、安全、灵活的远程网络接入方案。因 此越来越多的企业开始采用v p n 技术【6 】。 另一方面，随着网络带宽需求的增长，当企业内部高带宽应用不断增加时( 如w e b 访问、文档传输以及视频传送等) ，v p n 服务器的链路带宽很可能将成为瓶颈。通常解 决瓶颈问题采用的对策是提高服务器链路带宽，使其超出目前的需求。例如服务器链路 可以从快速以太网升级到千兆以太网。对于多数大型企业来说，采用升级技术是一种长 远的、有效的解决方案。然而对于其他企业来说当需求还没有大到非得花费大量的金钱 和时间进行升级时，使用这种技术就显得大材小用了【6 】。 在这种情况下我们希望提供一种v p n 实现，该实现一方面能够提供远程访问企业 内部网的安全性，一方面通过高效压缩算法和双网卡或多网卡的绑定来提高带宽。这种 廉价的解决方案使网络在性能上有明显改善，而且能够减少因链路故障而导致的v p n 服务器故障【6 j 。 b o n d i n g 技术的最早应用是在集群上，为了提高集群节点间的数据传输而设计的。 所谓双网卡，就是通过软件将双网卡绑定为一个m 地址，多高档服务器网卡( 例如 i n t e l 8 2 5 5 x 系列、3 c o m 服务器网卡等) 都具有多网卡绑定功能，可以通过软硬件设置将 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 两块或者多块网卡绑定在同一个i p 地址上，使用起来就好像在使用一块网卡，多网卡 绑定的优点不少，首先，可以增大带宽，假如一个网卡的带宽是1 0 0 m ，理论上两块网 卡就是2 0 0 m ，三块就是3 0 0 m ，当然实际上的效果是不会是这样简单的增加的，不过 经实际测试使用多个网卡对于增加带宽，保持带宽的稳定性肯定是有裨益的；其次，可 以形成网卡冗余阵列、分担负载，双网卡被绑定成“一块网卡之后，同步一起工作， 对服务器的访问流量被均衡分担到两块网卡上，这样每块网卡的负载压力就小多了，抗 并发访问的能力提高，保证了服务器访问的稳定和畅快，当其中一块发生故障的时候， 另一块立刻接管全部负载，过程是无缝的，服务不会中断【1 6 1 。 2 1 2 多网卡绑定技术的分类 现有网卡绑定技术： ( 1 ) 网卡并行扩展技术5 1 ，即网卡绑定技术的主导思想为：将多块物理网卡在逻辑上 统一起来，对外呈现为一块网卡，让网络设备的数据处理能力为多块网卡数据处理能力 之和。 由于在以太网通讯中，网卡的以太网地址和物理地址是2 个不可或缺的基本要素， 所以在网卡绑定技术中确定虚拟网卡的以太网地址和物理地址是实现网卡绑定的重要 步骤。 现有的网卡绑定技术1 刀中确定虚拟网卡的以太网地址和物理地址的基本方法为：将 虚拟网卡和网络设备中所有物理网卡的以太网地址和物理地址分别虚拟成相同的地址。 如设定网络设备中有物理网卡l 和物理网卡2 ，它们的i p 地址分别是1 9 2 1 6 8 1 0 2 0 和 1 9 2 1 6 8 1 0 3 0 ，它们的物理地址分别是0 0 1 0 6 0 5 b 6 7 f 9 和0 0 1 0 7 9 d f 7 3 d 9 。设定虚拟网卡 的m 地址是1 9 2 1 6 8 1 0 4 0 利用现有的网卡绑定技术，依次将物理网卡1 ，物理网卡2 绑定到虚拟网卡上。绑定后，虚拟网卡、物理网卡l 、物理网卡2 的p 地址都成为 1 9 2 1 6 8 1 0 4 0 ，物理地址都成为0 0 1 0 6 0 5 b 6 7 f 9 。 如此绑定后，网络设备进行轮循驱动，以实现物理网卡的轮循发送数据，这就要求 与网络设备连接的对端，如交换机等，同样需要支持轮循操作。 但此种技术，在网络设备进行数据传输时，会产生一些异常现象。如网络设备的对 端不支持轮循操作，它会认为多个同物理地址的端口连接在其上是一种错误状态，从而 工作不正常：另外物理网卡直接连接在集线器上时，会导致从远端发送的数据被网络设 备重复接收，不能够实现并行操作。 9 第二章相关技术研究 ( 2 ) 基于多网卡的网络设备的绑定和数据传输方法【5 】，使网络设备连接在不支持轮循 操作的交换机或直接连接在集线器上时，可保持多网卡带宽的优势，保证数据正常的并 行接收和发送，从而实现了节约网络设备资源，提高数据传输速率的目的。 ( 3 ) 通过纯软件的方式即可实现b o n d i n g 4 1 。 目前，在l i n u x 下面已经实现了模块加载形式的b o n d i n g 。l i n u x 是通过向系统内 核注册一块虚拟网卡实现的。l i n u x 将传送的数据交给这块虚拟网卡，而实际的数据传 输则通过几块绑定在虚拟网卡上的物理网卡实现，且采用可加载模块的方式。这样的好 处是不同品牌、不同速率的网卡均可加入b o n d i n g 中，但这种方法实现颇为复杂。 修改网络驱动程序有两种方案 4 1 ： 一种是如同在l i n u x 下面一样，使用模块的方式。实现途径是通过卸载旧的网卡模 块，加载修改后的网卡模块。即l i n u x 的b o n d i n g 技术1 8 】是在网卡驱动程序之上、数据 链路层之下实现的一个虚拟层，它将多个网卡接口虚拟成一块虚拟网卡。该虚拟网卡具 有一个口地址和一个数据链路层m a c 地址。b o n d i n g 技术可提高主机的网络吞吐量和 可用性。 l i n u x 的b o n d i n g 技术只允许一个网卡接口接收数据，但所有的网卡接口都可用于 发送数据。 另一种是直接修改内核网卡驱动，然后重新编译新内核并实现s h e l l 调用。 2 2i m 负载技术 视频传输不同于其他数据类型的传送，它需要较高的带宽、低的时延和包丢失率， 但由于目前的i n t e m e t 是基于口的尽力交付型网络，它无法确保q o s ，而且网络信道带 宽、传输时延、包丢失率等都是时变的，网络就像一个黑匣子，不提供反馈机制，我们 只能通过发送端和接受端进行数据流控制和差错恢复。 2 2 1 视频传输的现状 鉴于视频的网络传输特性，运动图像组织( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 在1 9 9 8 年1 0 月制定出了m p e g - 4 压缩编码标准，1 9 9 9 年1 月成为国际标准。以往的m p e g 压缩标准中，m p e g 1 是针对1 5 m b i t s 数据传输率的c d r o m 读取的录制品制定的， 对m p e g 1 稍作改动，就产生了适用于数字电视和高清晰度电视的m p e g 2 ，m p e g 2 主要是针对数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 和数字视盘( d v d ) 等制定 的3 - 1 0 m b i t s 运动图像及其伴音的编码标准，这两个标准都是在定比特率下，依据 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 信源编码理论，将视频看作随机信号，利用其统计特性进行的基于矩形帧的编码，它们 不能根据网络的变化和用户的要求动态地调整编码过程，而m p e g - 4 是基于对象( v i d e o o b j e c t ) 的运动图像压缩编码标准，提供时间和空间上可扩展的灵活分级编码技术，用 户可以在编码端根据网络状况动态地调整和选择编码算法，使编码速率适应网络变化， 它支持从5 k b p s 到1 0 m b p s 的比特率。 近十年在网络上传输多媒体的信息是愈来愈多口o 】，同时由于视频的压缩技术和高速 网络的发展，使得对多媒体的需求越来越多。但是现阶段的网络是尽力而为模式 ( b e s t - e f f o r t ) ，不能对视频提供相应的q o s 保证。由于网络存在的延时，丢包和抖动口1 1 ， 终端用户得到的视频的质量是不令人满意的。 目前的i n t e m e t 是以t c p i p 协议体系为基础的【2 2 1 ，其传输层有两个传输协议：t c p 和u d p ，其中，t c p 是面向连接的，尽管它能无差错地传输数据，但其差错重传机制 造成的视频数据时延是难以接受的，而u d p 协议是一种简单的无连接的协议机制，通 信开销小，效率比较高，比较适合于对可靠性要求不高的视频传输。不过它不对数据流 进行控制，因此u d p 报文可能会出现丢失、重复、失序等现象，这就需要上层协议来 协调，我们采用r t p 协议来完成。 r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 1 2 3 1 是正t f 开发的一种实时传输协议，可以在面向 连接或无连接的下层协议上工作，通常和u d p 协议一起使用，主要实现端到端的多媒 体流同步控制机制，它既不需要先建立连接，也不需要中间节点的参与，具有一定的带 宽调控能力。r t p 包括两个子协议：r t p 协议和r t c p ( r e a l t i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协 议。r t p 协议用来传送多媒体数据，报文由r t p 报头和数据两部分组成，r t p 报头提 供时间戳、顺序号等字段解决同步、重复分组问题，是实时应用中保证数据正确传输最 重要的信息，数据部分称为有效载荷。r t c p 用于传送控制信息，主要提供一种基于接 受者反馈的网络传输q o s 监测机制，在r t c p 的接收报告中包含了当前网络传输q o s 有关信息，如：报文丢失率、报文丢失累计、平均抖动时延等，发送者可以利用这种机 制改善当前网络传输的q o s 。 2 2 2r t p 打包技术分类 为了解决视频质量的问题，从传输系统的各个方面都作了大量的努力 2 4 1 。在对视频 编码完成后，不同的传递机制导致不一样的传输效率，主要体现在对协议数据单元 p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) l 舭_ t z 2 5 1 。包优化的目的有两点，一是为了更有效的在网络 第二章相关技术研究 上传输，二是减少包之间的关联性，阻止视频中的错误蔓延。对p d u 优化能有效组织 包的结构和大小，以适应异构网络的传输。从对包的封装大小来分类，主要有以下几种 方案： ( 1 ) 固定大小包化机制【2 6 】 封装