（控制理论与控制工程专业论文）高速负载网络均衡系统fpga逻辑设计.pdf

j 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：主阻导师签名： 渤，弘 日期：劢驴年月日 ， 摘要 摘要 随着计算机性能飞速提高，网络通信业务数据流量也相应地成几何倍数增长。 十年前的窄带数据业务，如今几乎已经被市场淘汰，取而代之的是速率更高的宽 带数据业务。由于随着各个核心部分业务量提高，网络的访问量和数据流量的增 长迅速，需要强大的处理能力，单一的服务器根本无法承担这样的任务。负载均 衡技术是建立在现有网络结构之上，提供一种低成本的方法扩展网络设备和服务 器的带宽、增加网络数据吞吐量、增强网络数据处理能力，以提高网络的灵活性 和可用性。 流量负载会在网络中很多地方出现，因而在o s i 七层协议模型中的第二、三、 四、七层都有相应的负载均衡策略。现代负载均衡技术通常操作于网络的第四层 或第七层。链路聚合技术为消除传输链路上的瓶颈与不安全因素提供了成本低廉 的解决方案。链路聚合技术是将多个线路的传输容量聚合成一个单一的逻辑连接。 为确保网络稳定性和可靠性，以及q o s 服务质量的前提下，在第二层上实现负载 均衡具有独到的优势。 本文通过研究国内外各种流分类与均衡策略的基础上，对p p p 协议和哈希 ( h a s h ) 算法着重进行了讨论，根据项目研究的背景有选择地采用，并利用f p g a 技术在第二层实现负载均衡，详细介绍了工程样机的f p g a 模块组成结构和数据 处理流程，在国内具有独创性。 关键字：负载均衡、哈希算法、f p g a 赫赫高赢西酩螽谪i 脚k o 醅赢廊品h 西k 蕊赢i 奢矗毫二j ；赫i 函蔫赢 确扣瞒哥赫茹赫_ _ ：最i 巍私音社话粕；潮i 璐c 鲁两筒龙o 坼；带；。蠢釜r 一诲= 商韶稿毒赫_ 舻i 席# 一= 酶崩赫j ；备；鞴豇描并：赢 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e c o m p u t e rp e r f o r m a n c er a p i d e n h a n c e m e n t , t h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ed a t a c u r r e n t c a p a c i t y a l s o c o r r e s p o n d i n g l yb e c o m e s t h e g e o m e t r ym u l t i p l eg r o w t h t e ny e a ra g on a r r o wb a n dd a t as e r v i c e s ，n e a r l ya l r e a d yb y t h em a r k e te l i m i n a t i o n ，a r ed i s p l a c e dn o ww e r et h es p e e dh i g h e rw i d eb a n dd a t a s e r v i c e s a sar e s u l to ft h ep r e s e n te x i s t i n gn e t w o r ke a c hc o r ep a r ta l o n gw i t ht h e b u s i n e s sv o l u m ee n h a n c e m e n t ，t h ev i s i tq u a n t i t ya n dt h ed a t ac u r r e n tc a p a c i t yf a s t g r o w t h ，i t sh a n d l i n ga b i l i t y a n dt h e c o m p u t a t i o ni n t e n s i t y a l s oc o r r e s p o n d i n g l y i n c r e a s e s c a u s e st h es o l es e r v e re q u i p m e n tt ob eu n a b l et ou n d e r t a k er a d i c a l l y t h e l o a db a l a n c et e c h n o l o g ye s t a b l i s h m e n ta b o v et h ee x i s t i n gn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，i th a s p r o v i d e da l li n e x p e n s i v ee f f e c t i v et r a n s p a r e n tm e t h o de x p a n s i o nn e t w o r kd e v i c ea n d t h es e r v e rb a n dw i d t h ，i n c r e a s e st h et h r o u g h p u to fi pd a t u m ，e n h a n c e m e n tn e t w o r k d a t ar e d u c t i o na b i l i t y , e n h a n c e st h en e t w o r kt h ef l e x i b i l i t ya n dt h eu s a b i l i t y t h ec u r r e n tc a p a c i t yl o a dc a nv e r ym a n yp l a c e sa p p e a ri nt h en e t w o r k , t h u si nt h e o s is e v e np r o t o c o lm o d e l st h es e c o n d ，t h i r d ，f o u r t ha n ds e v e n t hl a y e ra l lh a st h e c o r r e s p o n d i n gl o a db a l a n c es t r a t e g y m o d e ml o a db a l a n c et e c h n o l o g yu s u a l l y r u n si n n e t w o r ko ft h ef o u r t ho rs e v e n t hl a y e r t h el i n kp o l y m e r i z a t i o nt e c h n o l o g yh a s p r o v i d e dt h ec o s ti n e x p e n s i v es o l u t i o n f o rt h ee l i m i n a t i o nt r a n s m i s s i o nl i n ko n b o t t l e n e c kw i t ht h es a f e t yf a c t o rt h el i n kp o l y m e r i z a t i o nt e c h n o l o g yi sg e t st o g e t h e ra s o l el o g i c a lc o n n e c t i o nm a n yl i n et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y i no r d e rt og u a r a n t e et h e n e t w o r ks t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t y , a sw e l la su n d e rt h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ， r e a l i z e so ns e c o n dl o a de q u a l i z a t i o nt oh a v et h eo r i g i n a ls u p e r i o r i t y t h i sa r t i c l et h r o u 曲s t u d i e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g n e a c hk i n d o fc l a s s c l a s s i f i c a t i o na n di nt h eb a l a n c e ds t r a t e g yf o u n d a t i o n ，h a sc a r r i e do nt h ed i s c u s s i o n e m p h a t i c a l l yt ot h ep p p ( p o i n tt o p o i n tp r o t o c 0 1 ) a n dt h eh a s ha l g o r i t h m ，a n dh a s g i v e nt h es e c o n dl o a db a l a n c et e c h n o l o g yf p g ad e s i g ns o l u t i o n ，i nd o m e s t i c h a st h e o n g i n a l i t y k e y w o r d s ：l o a db a l a n c e ，h a s ha l g o r i t h m ，f p g a i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状和发展态势2 1 3 论文内容及结构安排4 第二章负载均衡技术。6 2 1 负载均衡技术6 2 1 1 负载均衡的定义6 2 1 2 负载均衡的作用6 2 2 负载均衡技术的分类6 2 2 1 软硬件负载均衡6 2 2 2 静动态负载均衡7 2 2 3 本地全局负载均衡7 2 2 4 网络层次上的负载均衡8 2 3 负载均衡策略。10 2 3 1 均衡算法1 0 2 3 2 网络系统状况检测1 2 2 4 常用的负载均衡技术1 2 2 4 1 基于d n s 负载均衡技术1 2 2 4 2 基于n a t 负载均衡技术。1 3 2 4 3 反向代理负载均衡技术1 4 2 4 4 混合型负载均衡技术一1 4 第三章流分类与均衡策略1 6 3 1 流的概念1 6 3 2 流的分类1 6 3 3 流分类的目的。1 7 3 4 流分类算法的选择1 7 3 5p p p 协议帧解析18 i 目录 3 6 负载均衡算法的选择1 9 3 6 1 轮循法1 9 3 6 2 最少连接法2 0 3 6 3 最低缺失法2 0 3 6 4 最快响应法2 0 3 6 5 加权法2 0 3 7 哈希算法21 3 7 1 关于哈希算法2 1 3 7 2 异或移位哈希算法分析2 2 3 7 3 长流的哈希算法2 2 3 7 4 算法实现处理流程2 3 第四章系统总体架构2 5 第五章负载均衡f p g a 逻辑实现2 8 5 1 开发环境2 8 5 2 硬件平台2 9 5 3 设计实现3 0 5 3 1 设计思路3 0 5 3 2 各主要功能模块设计与实现3 1 5 3 3 系统的时钟及复位设计一4 8 5 3 4 硬件实现。5 0 5 4 系统性能验证5 1 第六章结论5 5 参考文献5 6 致谢 。5 8 攻硕期间取得的研究成果5 9 i v 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 现代社会互联网已经成为人们日常工作和生活中非常重要的通信工具，随着 计算机性能飞速提高，网络通信业务数据流量也相应地成几何倍数增长。十年前 的窄带数据业务，如今几乎已经被市场淘汰，取而代之的是速率更高的宽带数据 业务。由于目前现有网络的各个核心部分的业务量提高较快，用户访问量和数据 流量也快速增长，对服务器的处理能力和计算强度也相应地提高，原来单一的服 务器设备已经无法胜任如此繁重的负荷。例如遇到突发事件时，几百万甚至上千 万用户会同时点击访问某一个门户网站的首页，或者一些网络游戏同时在线用户 达到数百万人，现有的单台服务器都难以独立响应如此众多用户的请求。在此情 况下，如果放弃现有设备去做大量的硬件升级，使用性能更为强大的服务器。简 单地以更新网络设备的方式会造成资源严重浪费，而且不能灵活地适应新的需求。 一般采用以下两种解决的办法：一种办法是将数据内容存放到不同的服务器，各 服务器的功能是不同的，但这样会造成负荷轻的服务器资源浪费，而有些服务器 却可能负荷过重；另一种办法是使几台服务器拥有同样的功能，当大量用户访问 请求时，采用一种设备将用户访问请求平均地分配到每台服务器，实现并发响应 用户请求。为了实现多个服务器共同分担用户数据访问请求，网络负载均衡技术 可以。 负载均衡( l o a db a l a n c e ) 是建立在现有网络结构之上，它提供了一种低成 本的方法扩展网络设备和服务器的带宽，增加网络数据吞吐量，并能够提高网络 数据处理能力，以增强网络的灵活性和可用性。 负载均衡主要包括两方面含义：首先，大量的并发访问或数据流量分担到多 台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；其次，单个重负载的运算分 担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，返回 给用户，系统处理能力得到大幅度提高。负载均衡模式下每台服务器都具备完全 等价的地位，都可以独立地对响应用户服务请求。 电子科技大学硕士学位论文 暇务器a 暇务器b 暇务器c 图i - i 服务器网络负载均衡示意图 负载均衡主要完成以下任务： 解决网络拥塞问题，就近提供服务，实现地理位置无关性； 为用户提供更好的访问质量； 提高服务器响应速度； 提高服务器及其他资源的利用效率。 在用户端进行优化和在服务器端采用负载均衡策略可以在最大程度上确保网 络信息的顺畅流通。 1 2 国内外研究现状和发展态势 根据o s i 模型，网络协议分为七层。其结构如下图所示： 篆i 蒜“ 。一 颤 图1 - 2o s i 七层协议模型 2 第一 规定 拆除物理 第二 在物 错控制提 列。数据 第三 网络 络层将数 地址信息 第四 第4 输服务。 具体细节 第五 会话 护应用之 第六 这一 用户的抽 表示和转 例如图像 第七 应用 代表包括 现代 目前 各厂家在 循均衡算 英特 同一用户 岳謦，m ；甜：= t ￥蕊诫知三赢“g 砜扫钳溺瓣毋鞴强鞘粕汹矗赫蹦舀鬲杂i “辎珐每k 施刍前箱毋鳓赫毹讲嘣鞴謦瓣；旃枯每嗣筑舞赫毒赫：玉赫；南啸：茹，。j 酱萍。赫_ 螽赫蠡孑刍矗赫 电子科技大学硕士学位论文 算法要求使用i c m p 包或基于u d p 包的专用技术来主动探测各节点。这种算法的 缺点是在基于局域网的集群中，因网络中的i c m p 包基本上都是在l o r e s 内完成 回应，体现不出节点间的差异。 根据以上分析，负载均衡技术在以后几年将具有以下发展趋势： 在国内，目前尚未见成熟、经实用产品验证的高速负载均衡算法或逻辑实现 方法的报道，特别是一些关系到国际民生的安全部门。为了满足社会不断发展的 需要，随着科技水平的不断提高，高速负载均衡技术定会在国内取得一定发展并 逐步普及； 随着客户对网络速度的要求越来越高，负载均衡器的应用范围将会越来越广， 负载均衡算法也会不断优化而使各通道间的均衡度更高。 负载均衡技术将会向高容量、高响应速度的方向发展，其功能也将不断地完 善和健全，除了可以实现对大带宽网络数据的均衡外，还可兼容如防火墙的功能 完成对传输内容的过滤、检测等。负载均衡产品的智能化会越来越明显，使 其与服务器之间呈现透明化管理。 1 3 论文内容及结构安排 一、绪论 关于负载均衡的概念，技术发展情况，以及研究背景意义。 二、负载均衡技术 详细阐述负载均衡技术的定义、作用和发展过程，阐述几种常用的负载均 衡技术基本原理，讨论了几种均衡策略。根据本项目的研究目的，选择相应的负 载均衡方案。 三、流分类与均衡策略 论述关于流的概念和分类，p p p 协议帧的结构，并讨论了几种均衡策略的 算法。具体讨论本系统应用的异或移位哈希算法原理。对本系统的数据处理流程 进行描述。 四、系统总体架构 论述本系统的网络应用场合，并阐述本系统实现负载均衡的基本组成架构。 五、负载均衡f p g a 逻辑实现 深入讨论负载均衡系统在f p g a 内部实现的解决方案，并对各功能模块的 4 第一章绪论 设计与实现的处理过程进行详述。并给出工程样机的测试结果。 六、结论 总结本系统的研究成果，提出需要进一步完善和改进的方向。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 负载均衡技术 第二章负载均衡技术 2 1 1 负载均衡的定义 间的通信负载，根据 理，以实现真正的智 操作系统上安装附加 使用灵活，成本低， 第二章负载均衡技术 软件运行会消耗系统资源；二是软件受到操作系统的限制，可扩展性并不是很好； 三是操作系统本身可能存在安全漏洞。 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，独 立于操作系统，这样的硬件设备通常称作负载均衡器。 一般而言，硬件负载均衡在功能、性能上优于软件方式，但成本昂贵。本文 所论述的方案就是采用硬件实现负载均衡。 2 2 2 静动态负载均衡 静态负载均衡( s t a t i cl o a db a l a n c i n g ) 是根据集群中各计算服务器处理能力 上的差异，由负载均衡器将用户请求相应地分配到各服务器，处理能力强的计算 结点分配更多的工作。这种方式是在设备和网络已经固定好的情况下判断各服务 器的处理能力，从实现的效率和复杂度上比动态负载均衡策略有一定的优势。 动态负载均衡( d y n a m i cl 0 a db a l a n c i n g ) 就是系统在运行过程中，不断地根 据运行时服务器的负载情况，把用户请求分配到各服务器。负载轻的服务器分配 到较多的工作，这种技术显然具有动态、可伸缩性等优势。在动态负载均衡中， 通过负载的划分以来于将要执行的分段的运行，在运行时需要消耗更多的资源和 处理能力，但比起静态负载均衡来更为有效。动态负载均衡中，任务是在程序运 行期间被分配到处理器的。 本文所论述的均衡系统工程样机是在动态负载均衡技术上实现的，系统运行 效率比较高。 2 2 3 本地全局负载均衡 根据其应用的地理分布结构上的特点，可以将负载均衡策略分为本地负载均 衡( l o c a ll o a db a l a n c e ) 和全局负载均衡( g l o b a ll o a db a l a n c e ，也叫地域负载均衡) ， 本地负载均衡即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、有不同网络拓朴结构的服务器群间作负载均衡。 根据实际应用的需要，本文所论述的方案是采用本地负载均衡，负载均衡器 以千兆以太网与服务器连接。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 网络层次上的负载均衡 根据负载均衡实现的不同网络层次，大体上分为传输链路聚合、采用更高层 网络交换技术和设置服务器集群策略三种。 链路聚合技术 用户接入互联网的速率越来越高，但网络中的数据业务量分布一般不平衡， 通常是核心比边缘高，关键部门也比一般部门高很多。解决瓶颈问题通常采用的 策略是提高服务器链路的容量，使其处理能力超过目前的需求。例如将1 0 0 m 快 速以太网升级到速率为1 g 的千兆以太网。但是简单地通过网络布线升级成本太 高。链路聚合技术是一种低成本的解决方案，可以将多个线路的传输容量融合成 一个单一的逻辑连接。利用路由器来实现多线路方式就是一种流行的链路聚合技 术。路由器可以根据已知的目的地址的缓存( c a c h e ) 大小，将m 数据报分组分 配给各个平行的链路，或者采用循环分配的方法来向线路分发分组。多重链路p p p ( 又称m p 或m l p ) ，是将大的p p p 数据包分解成小的数据段，再将其分发给平 行的多个线路。这种负载均衡技术可应用于使用p p p 封装数据链路的路由器。 当主要线路的性能必须提高，而单条线路的升级成本过高时，采用链路聚合 技术是更为经济可行的解决方案。本文所论述的负载均衡系统正是采用这种链路 聚合的方案。除此之外，还有另外几种实现负载均衡的解决方案。 更高层交换 目前有许多交换机提供第四层交换功能，可以将一个外部口地址映射为多个 内部p 地址，对每次t c p 连接请求动态使用其中一个内部口地址。如果这种交 换机作为内部服务器集群的网络交换设备，则服务器集群对外只有一个口地址， 用户的访问请求可以连接到其中一台内部服务器上，这样也可以实现负载均衡。 有的协议内部支持与负载均衡相关的功能，例如利用h t t p 协议中的重定向技术 也能实现服务器的负载均衡。 8 第二章负载均衡技术 l 曹b b 哪n t j _ - ii 融i o n 孙r v e r b 图2 1 高层网络交换实现负载均衡不恿图 服务器群集解决方案 w e b 主机访问控制设备可以使用w e b 内容交换技术很容易地将访问多个主机 的用户访问请求转移到同一个w e b 服务器。如果用户访问量增加到一定程度，这 些流量还可以被转移到专用的w e b 服务器设备。由于使用的是相同的w e b 内容 交换技术来控制流量，所以利用这种技术实现的负载均衡系统，其网络的拓扑结 构可以保持不变。 但是，使用w e b 内容交换技术的负载均衡设备所能支持的标准和规则的数目 有限，缺乏足够的灵活性。负载均衡设备所能监测到h t t p 报头的深度也是限制 内容交换能力的一个因素。w e b 内容交换还受到能够同时开启的t c p 连接数量以 及t c p 连接的建立和断开比率的限制。并且，w e b 内容交换技术会占用一定的系 统资源( 包括内存占用和处理器占用) 。这些都是w e b 内容交换技术不足之处。 一带均衡策略的服务器群集 网络负载均衡技术提高了诸如w e b 服务器、f t p 服务器和其他关键任务服务 器上的因特网服务器程序的可用性和可伸缩性。单一计算机可以提供的服务器可 靠性和可伸缩性有限，但是通过将两个或两个以上高级服务器的主机连成群集， 网络负载均衡就能够提供关键任务服务器所需的可靠性和性能。 能进行负载均衡的网络设计结构为对称结构，在对称结构中每台服务器都具 备等价的地位，都可以单独对外提供服务而不需要其他服务器的辅助。然后，可 以通过某种技术，将外部发送来的请求平均分配到对称结构中的每台服务器上， 9 嘲 t r 簪小、 _ 叮j 套既；i 和珏? j ：强一磅k 煎茹赢毒赫# 耗矗舀赫翮磊蠢描茹珏茹稿酬鞴毹茹酶鼢两酶鞴镶赫痞盂啦翕铀巍鞴谛赫赫赫如醍媾蠹箍确；霸玉赫掣蕊，；：晾；。硝毒i 一钳：稿氛赫晶赫面蒯 电子科技大学硕士学位论文 接收到连接请求的服务器都独立回应客户的请求。在这种结构中，建立的w e b 服 务器内容完全一致。 p c u 窖鸯r 1 p c u s e f2 p c i l 髓3 p c i 瞻e f 4 p c u 5 e r 5 p c i 垮盯6 2 3 负载均衡策略 ， 眦刖 图2 - 2w e b 站点用网络负载均衡实现原理 “4 w a n2 为了提高网络处理能力，网络处理器通常采用并行处理单元p e ( p r o c e s s e l e m e n t ) 结构。这些并行处理单元一般都具有等价的处理能力，因此在网络处理 器中实施负载均衡也非常方便。均衡策略是指网络流量负荷如何在多个处理节点 中进行分配。 选择合适的负载均衡策略，能够充分发挥设备的最佳性能，避免现有网络业 务流量负载分布不均和数据拥塞的问题。根据负载均衡实现的网络层次不同，在 o s i 参考模型的第二、三、四、七层的负载均衡都有相应的负载均衡策略。负载 均衡策略的性能主要取决于两个关键因素：一、负载均衡算法；二、对网络系统 状况的检测方式和能力。 2 3 1 均衡算法 由于服务请求的不同类型、服务器的不同处理能力以及随机选择造成的负载 分配不均匀，为了更加合理的把负载分配给内部的多个服务器，就需要根据各个 服务器处理能力和网络状态采取不同的负载均衡算法： 轮循均衡( r o u n dr o b i n ) ：将用户的服务请求轮流分配给集群内部中的服务 器，轮流循环且完全平等地分配。这种均衡算法适合于所有服务器软硬件配置都 1 0 第二章负载均衡技术 有相同并且用户服务请求相对均衡的情况。 权重轮循均衡( w e i g h t e dr o u n dr o b i n ) ：这种算法是在轮循均衡算法的基础 上，根据服务器的不同处理能力，给每个服务器分配不同的权值，将用户的服务 请求按权值比例进行分配。如果服务器集群一共由三台服务器组成，服务器a 的 权值为l ，服务器b 的权值是4 ，服务器c 的权值为5 ，则服务器a 、b 、c 将分 配服务请求的比例分别是1 0 、4 0 、5 0 。此种均衡算法能充分发挥服务器的 性能，使性能高的服务器得到充分利用，避免低性能的服务器负载过重。 随机均衡( r a n d o m ) ：即对各服务器的工作情况不进行区分，把来自网络的 请求随机分配给各个服务器。这种均衡算法很少单独采用，通常是与其他算法进 行组合。 权重随机均衡( w e i g h t e dr a n d o m ) ：这种均衡算法与权重轮循算法类似，只 不过在选择服务器处理请求分担时是个随机过程。 响应速度均衡( r e s p o n s et i m e ) ：采用这种算法时，负载均衡设备对各服务 器发出一个探测请求( 例如p i n g ) ，然后得到各服务器对探测请求的响应时间， 据此把服务请求分配给响应最快的服务器。这种均衡算法能够较好地反映当前服 务器的运行状态，但这里所指的“最快响应时间”仅仅是指负载均衡设备与服务 器间的最快响应时间，而不是用户与服务器间的最快响应时间。 最少连接数均衡( l e a s tc o n n e c t i o n ) ：这种均衡算法对每台服务器都记录当 前该服务器正在处理的连接数量，随时把当前请求分配给连接数量最少的服务器。 这种动态调度的均衡算法更符合服务器实际运行情况，使用户请求分配更加合理。 这种均衡算法适合处理时间较长的请求服务，例如f t p 等应用。 处理能力均衡：这种均衡算法是将服务器的c p u 型号、c p u 数量、内存大 小及当前连接数等情况进行负荷量排序，把当前服务请求分配给处理负荷最轻的 服务器。此种均衡算法更加精确地反映服务器处理能力，尤其适合在第七层( 应 用层) 实现负载均衡。 d n s 响应均衡( f l a s hd n s ) ：采用这种均衡算法时，在不同地理位置的负载 均衡设备收到来自网络中同一个客户端的域名解析请求，并在同一时间内把此域 名解析成各自相对应服务器的i p 地址并返回给客户端。客户端将以最先收到的域 名解析口地址来继续请求服务，而对其它i p 地址的响应忽略。这种均衡策略只 适合应用在全局负载均衡的情况，对本地负载均衡则无法采用这种均衡算法。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 2 网络系统状况检测 如果服务器集群中某台服务器运行出现了故障，而负载均衡设备仍然把用户 请求分配给那台服务器，则此时服务请求无法得到响应，于是服务请求丢失。所 以良好的负载均衡策略还应该对网络故障、服务器系统故障、应用服务故障的检 测方式和能力进行判断。一般采用以下几种侦测手段： p i n g 侦测：如果负载均衡设备向服务器发出p i n g 命令，并且能够及时得 到服务器的响应，说明这台服务器有能力响应用户的服务请求。同时还可以根据 服务器对p i n g 命令的响应时间，判断出服务器运行状态。这种侦测方式虽然简单 快速，但只能大致检测出网络及服务器上的操作系统是否正常，无法检测服务器 上的应用服务运行状态。 t c po p e n 侦测：每个服务都会开放t c p 连接端口。因此可以通过检测服 务器上某个t c p 端口( 如t e l n c t 的2 3 口，h t t p 的8 0 口等) 是否开放来判断服 务是否正常。 h t t pu r l 侦测：比如向h t t p 服务器发出一个应用访问请求，如果收到 错误信息或者响应超时，则认为服务器出现故障。 还有一种路径外返回模式( o u to f p a t hr e t u r n ) ，当客户端连接请求发送给负 载均衡设备的时候，负载均衡设备将请求分配给某台服务器。服务器在响应请求 时不再返回给负载均衡设备，而是绕过流量分配器，直接返回给客户端。因此负 载均衡设备只是负责接受并转发客户端访问请求，大大减轻了其网络负担，并且 给客户端提供了更快的响应时间。 2 4 常用的负载均衡技术 2 4 1 基于d n s 负载均衡技术 d n s 负载均衡技术是在d n s 服务器中为同一个主机名配置多个i p 地址，在 应答d n s 查询时，d n s 服务器对每个查询将以d n s 文件中主机记录的口地址 按顺序返回不同的解析结果，将客户端的访问引导到不同的机器上去，使得不同 的客户端访问不同的服务器，从而达到负载均衡的目的。 d n s 负载均衡的优点是实现起来经济、简单、易行，并且服务器可以位于互 1 2 第二章负载均衡技术 联网上任意位置。但这种技术也存在以下缺点： 为了使本地d n s 服务器和其他d n s 服务器及时交换信息，保证本地d n s 数据为最新数据，使地址能随机分配，d n s 数据的刷新时间必须尽可能地设置得 较小。但刷新时间太短将会使d n s 流量增加，由此而造成网络拥塞。 如果某个服务器出现故障，即使及时修改了d n s 设置，还是要等待足够 的时间( 刷新时间) 才能发挥作用。在此期间，保存了故障服务器i p 地址的客户 计算机仍然会向故障服务器发出服务请求，这样就无法保证服务质量。 通常d n s 负载均衡采用的是简单的轮循算法，并不能区分各服务器的差 异，也不能反映各服务器的当前运行状态。因此，无法根据各服务器的性能和运 行状态分配用户服务请求，甚至可能出现客户请求集中在某一台服务器上的情况。 每一台服务器都必须拥有独立的p 地址，而在目前的口v 4 协议中，这些 独立的口地址资源很有限。 2 4 2 基于n a t 负载均衡技术 n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n 网络地址转换) 一般是将内部私有地址与 互联网独立口地址之间进行转换。这种均衡技术可以适应解决互联网上口地址 资源紧张的问题，并且内部网络结构对外部来说具有一定的保密性。n a t 负载均 衡设备将一个外部d 地址映射为多个内部i p 地址，对每次连接请求动态地转换 为一个内部服务器的地址，将外部连接请求引到转换得到地址的那台服务器上， 从而达到负载均衡的目的。 n a t 负载均衡是一种比较完善的负载均衡技术，这种设备一般处于内部服务 器到外部网络之间的网关位置，如路由器、防火墙、四层交换机、专用负载均衡 器等。采用这种技术的均衡算法也比较灵活，可以根据随机选择、权重轮循、最 少连接数及响应时间等算法来分配用户请求。 n a t 负载均衡技术既可以通过软件方式来实现，也可以通过硬件方式来实 现。通过软件方式来实现n a t 负载均衡的设备往往因带宽及系统本身处理能力而 受到限制。由于n a t 比较接近网络的低层，因此很适合用硬件方式实现。通常这 样的硬件设备是具备第四层交换功能的交换机或专用负载均衡器，第四层交换机 的一项重要功能就是实现n a t 负载均衡。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 4 3 反向代理负载均衡技术 反向代理( r e v e r s ep r o x y ) 方式是指以代理服务器来接受互联网上的用户服 务请求，然后将服务请求转发到内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结 果返回给互联网上发出请求的客户端。此时从互联网上看，代理服务器对外就表 现为一个服务器。利用反向代理方式实现负载均衡，是把来自互联网上的用户服 务请求以反向代理的方式动态地转发给内部网络上的多台服务器，从而达到负载 均衡的目的。 但是这种技术也存在两个方面缺点：一是反向代理基于o s i 参考模型第七层 应用，所以必须为每一种应用服务专门开发一个反向代理服务器，这样使得反向 代理负载均衡技术的应用范围较小；二是针对每一次代理服务，反向代理服务器 必须同时打开对内和对外两个连接，在并发连接请求数量非常大的时候，会使得 代理服务器的负载过重。 国 粕i 所有发往目的地址； s e r v e r l 2 0 0 2 0 0 1 2 的报文 1 6 8 1 1的方式引到内部三 虽 j 1 磷蔫嚣甄一 帅嘲函函萨 s e r v e r 2 e a 0 ：1 9 2 1 5 8 1 4 2 9 1 6 8 1 2 s r 0 ：2 0 0 2 0 0 1 t e 9 国l i 芒j 憎i l k ，。，。一 ，。 i n t e r n e t ： ，。， 。，一- - w e bs e r v e r 3 1 9 2 1 6 8 1 3 图2 - 3 反向代理技术实现负载均衡 因此，这种技术适合连接数量不是特别大，但每次连接都需要消耗大量处理 资源的站点进行负载均衡，如搜索引擎。 2 4 4 混合型负载均衡技术 在有些大型网络中由于多个服务器群内硬件设备、各自的规模、提供的服务 等存在较大的差异，可以考虑给每个服务器群采用最合适的负载均衡方式，然后 1 4 第二章负载均衡技术 又在这多个服务器群间再一次负载均衡或群集起来以一个整体向外界提供服务 ( 即把这多个服务器群当做个新的服务器群) ，从而达到最佳的性能，这种方式 称之为混合型负载均衡。此种方式有时也用于单台均衡设备的性能不能满足大量 连接请求的情况下。 在图2 4 中，负载均衡设备在网络拓朴结构上，可以处于外部网和内部网络 之间网关的位置，也可以和内部服务器群处于并行的位置，甚至可以处于内部网 络或互联网的任意位置。 o 。t i n t 帅e t 服务器群 混合型负载均衡 图2 _ 4 混合型网络负载均衡 1 5 画 鲁圣蛰 客户瑞 电子科技大学硕士学位论文 3 1 流的概念 第三章流分类与均衡策略 根据负载分配的最小信息单元，可以将负载分配方法分为基于报文和基于流 的负载分配。其中报文是t c p i p 网络模型中网络层的最小传输单元；流是指网络 中具有某些相同或者相似特性报文的集合。其中基于报文的负载分担是指将报文 作为负载分配单位，逐包进行负载分担处理；而基于流的负载分担则将流作为负 载分配单位，逐流进行负载分担处理。 3 2 流的分类 流分类是采用一定的规则识别符合某类特征的报文，它是有区别地进行服务 的前提和基础。 流分类规则可以使用i p 报文首部的服务类型t o s 字段的优先级位，识别出 有不同优先级特征的流量；也可以由网络管理者设置流分类的策略，例如综合源 地址、目的地址、m a c 地址、p 协议或应用程序的端口号等信息对流进行分类。 一般的分类依据都局限在封装报文的头部信息，使用报文的内容作为分类的标准 是比较少见的。与流分类有关的策略和规则的集合称为流分类器。它的每一条规 则根据数据包头的某些域来定义数据包所属的流。常用的几个域有：目的p 地址、 源p 地址、源端口、目的端口、协议类型等。可以有多种分类结果，既可以是一 个由五元组( 源地址、源端口号、协议号码、目的地址、目的端口号) 确定的狭 小范围，也可以是到某网段的所有报文。 一般在网络边界对报文分类时，同时设置报文p 首部的t o s 字段中的优先 级位，这样，在网络的内部就可以直接使用i p 优先级作为分类标准。而队列技术 如加权公平队列w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 也可以使用这个优先级来对报文 进行不同的处理。下游( d o w n s t r e a m ) 网络可以选择接收上游( u p s t r e a m ) 网络 的分类结果，也可以按照自己的标准重新进行分类。 1 6 第三章流分类与均衡策略 d 流分类不像口路由查找那样有着非常明确的功能定义和协议规范。由于 需要对服务质量( q o s ) 进行管理、控制和保障，负载均衡系统必须具备流分类 功能。 3 3 流分类的目的 进行流分类是为了有区别地提供服务，它必须与某种流控或资源分配动作关 联起来才有意义。具体采取何种流控动作，与所处的阶段以及网络当前的负载状 况有关。例如，当报文进入网络时依据承诺速率对它进行监管；流出结点之前进 行整形；拥塞时的队列调度管理；拥塞；o nj n 时要采取拥塞避免措施等。 支持标记交换，对于“长 流进行标记和交换，对于“短”流进行转发。 保证流的完整性。 区分流的类型。在某些情况下交换、传输可能需要7 层信息。 后端处理的需要，比如入侵检测或负载均衡。 3 4 流分类算法的选择 选择流分类算法的主要是从以下几个方面的性能指标考虑： 查找速度：目前物理链路速度有了很大的提高，这里主要是流分类的复杂 性对负载均衡器的处理速度有较大的影响。 存储容量：在所需存储容量尽可能低的情况下，可采用速度快但是造价昂 贵的存储器技术。 规则更新时间：由于网络上各种数据流量巨大，流分类算法在更新数据结 构时必须快，才能适应分类器的频繁变化。 规则条目：好的流分类算法应该支持各种不同形式的规则，包括数据包头 各个区域的精确匹配，前缀匹配和范围匹配。 可扩展性：分类器必须能够对分类所依据的域的数目、域的长度以及规则 数目进行扩展，应付以后网络的需要，特别是i p v 4 i p v 6 的过渡。 1 7 孽i 鼍旆：? 赫蜥攀警瓣警呼酾懈凶一举鳓戚揣测赫西赫赫辩赫瓣酾翁蒯赫静黼为谳；一”渊蜘黼涵酶谚新蔷树 _ i l l l liiiii i i i i i i 电子科技大学硕士学位论文 3 5p p p 协议帧解析 用户接入互联网时，在传送数据时都需要有数据链路层协议。通常使用的协 议有串行线路网际协议( s l i p ) 和点对点协议( p p p ) 。由于s l i p 具有仅支持m 等缺点，主要用于低速( 不超过1 9 2 k b i t s ) 的交互性业务，并未成为互联网的标 准协议。因此，考虑到负载均衡器应用的场合，我们采用点对点p p p 协议 ( p o i n t t o p o m tp r o t o c 0 1 ) 。 p p p 协议有三个组成部分： 一个将口数据报封到串行链路的方法。p p p 既支持异步链路( 无奇偶校 验的8 比特数据) ，也支持面向比特的同步链路。 一个用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议l c p ( l i n kc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 。通信的双方可协