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AppSwitch Networks Inc.
应用流量管理
负载均衡原理与解决方案
No.1 Jian Guo Men Wai
Avenue , World Trade Center
No.1, Room.1511
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第一章 简 介
负载均衡在服务器和网络中不是新的概念,许多产品提供了不同类型的负载均衡
解决方案。举例来说,路由器能够通过不同的路径分配流量到达相同的目的地,在不
同的网络资源中平衡他们的负担。另一方面,一个服务器负载均衡设备,能在服务器资
源中而不是在网络资源中分布流量。在最初的时候,负载均衡设备只是从简单的负载
均衡需要入手, 而这些产品现今已迅速地演变到提供更多更复杂的功能:负载均衡、流
量工程、智能流量交换技术、内容交换技术以至于应用交换技术。负载均衡设备能够
详细而且不厌其烦地检查服务器的健康状态、应用的健康状态和内容的正确性,从而
提高系统的有效性和可管理性。因为负载均衡设备被布署在服务器群的前端,它也能
够保护服务器不受到恶意的用户侵犯从而提高安全性。根据IP包中的信息或应用请求
的内容,负载均衡设备会作出智能的决策,并准确地将流量导向到正确的数据中心、
服务器、防火墙、网站加速器或者应用系统。
一. 负载均衡的需求
有两个重要的因素推动了负载均衡的需求:服务器和网络。 随着国际互联网络
(Internet)和企业内联网络(Intranet)的出现,连接着服务器和企业的雇员、客户、供应商
以及合作伙伴的数字网络已经变得至关重要。整个信息服务系统如果不能提供服务或
者性能很差变得不可接受时,由此很可能会导致一些业务被迫停顿。举例来讲,如果
要建立一个电子商务的网站,需要考虑许多部件:边界路由器、交换机、防火墙、网
站加速器、Web 服务器、中间件服务器和数据库服务器,而不断增加的针对不同应用
的服务器设备,就会使数据中心填满了各种各样的服务器群。因此在这些服务器群中
实现可扩展性、可管理性、有效性以及安全性变得非常复杂并具有挑战性,这也是智
能高层交换技术出现的一个重要的推动力。从边界路由连接互联网络开始,一直到数
据中心的后台数据库主机系统,负载均衡已经成为一个新的有力的工具解决以上的问
题和挑战。
二. 服务器环境
至少有两个原因使得现今的企业和互联网络服务商(ISP)不断增加服务器的数量。
第一,在互联网络时代需要配备许多不同功能的服务器或应用,包括:WEB服务器、
FTP服务器、DNS、NFS、e-mail、ERP、中间件、数据库等等;第二,因为一台服务
器无法提供足够的能力和计算强度,许多应用需要多台服务器同时提供服务。如果你
与数据中心的任何一个人去交谈,他或者她就会告诉你,他们花了多少时间在不同的
应用和服务器上解决可管理性问题、扩展性问题和高可用性问题。 举例来说,如果电
子邮件应用不能够处理不断增加的客户时,就必须配备另外一台电子邮件服务器,网
络管理员还必须考虑如何将客户请求分配到这两台电子邮件服务器上。如果一台服务
器出现故障,网络管理员需要立即在这台服务器维修的同时,在另外一台服务器上运
行这一应用,而一但原来的服务器修好后,它还必须回到原来的地方继续提供服务。
因此这些任务都会影响到一个应用对于客户的服务效率和可用性。
扩展的挑战
扩展运算能力的问题不是一个新的问题。以前,一台服务器专门执行一个应用服
务,如果这台服务器不能够执行这个应用时,就会购买一台更加强大的服务器来替换。
因此提高系统的不同部件来增加服务器的运算能力就变得越来越有效。举例来讲,尽
管我们看到处理器的处理速度正以每隔18个月翻一倍的速度增长着(一个被Intel公司
提出的著名的摩尔定律如是说),但是对提高运算能力的需求增长速度却更加快。于
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是我们发明了集群技术,最初将它应用于主机系统。由于主机系统是专有的技术,所
以生产主机的厂商都采用他们自己的技术,来配置一个主机集群以便分享计算任务,
这样做是比较容易的。现在市场上出现了两种集群技术:松散联系的系统和对称多处
理技术,但是这两种集群技术都有局限性,而且从系统性能的曲线来看,性能/价格比
也不具有足够的吸引力。
松散集群系统
松散集群系统是由许多相同功能的计算单元,松散地通过总线和内部联络的网络
联系在一起的。每个计算单元包含处理器、内存、磁盘控制器、磁盘驱动器和网卡等
部件,通过将这些计算单元粘和在一起的方式,即可组成一个松散集群系统。象天腾
(Tandem)这样的公司,在一个系统中就包含了16个计算单元。松散联系的系统,采用
内部处理器(interprocessor)通讯将任务分享到多个计算单元来处理,因此松散集群系统
只在计算任务可以容易地被分割时才能够扩充。例如,假设让我们定义这样一个任务:
在一个数据表中找出所有记录域种类等于100的记录,那么在操作时数据表就会被分割
成四个相等的部分,而且每个部分都存放在被一个处理器控制的硬盘分区中。查询的
任务也被分割成四个任务,而且每个处理器并行地执行查询的任务,最后再合并成一
个完整的查询结果。但是不是所有的计算任务都是那样简单的,如果一个任务是更新
那些表示剩余灯泡库存的数据,那么只有负责那个含有灯泡的数据库的处理器才能够
更新数据。如果灯泡的销售快速增长,使更新库存的请求也快速增加,就可能使专门
负责处理灯泡库存的处理器变成性能的瓶颈,而其他的处理器却变得很悠闲。为了实
现可扩展性,松散的集群系统需要许多复杂的系统和应用优化,甚至在那些任务可以
被分割的时候也需要这种优化。松散的集群系统在任务不可分割时,或象发生更新灯
泡销售量这样的随机突发事件的情况下,就无法实现系统性能的扩展。
对称多处理系统
对称多处理 (SMP)系统采用多个处理器共享同样内存的技术,应用软件必须被改
写成可适应多线程环境的系统,每个线程能够运行一个计算元语功能。这些线程共享
同样的内存而且依赖于特别的通讯手段,如旗语或消息机制。操作系统定期分配线程
在多个处理器中,以便使每个处理器能够同时运行从而提供高可扩展性。同样的,一
个计算任务是否能够被清晰地分区并同时运行也一样是一个挑战。而如果增加一个处
理器,操作系统就需要在许多线程和处理器中通讯和协调,这样一来系统的可扩展性
又会受到抑制。
三. 网络环境
传统的交换机和路由器工作在IP地址和MAC地址间以决定数据包所要到达的目的
地,但是它们不能处理复杂而现代化的服务器群。举例来说,传统的路由器或者交换
机,无法智能地将针对特定应用的请求数据包发送到特定的服务器或者网站加速器中
去。如果其中一个目的服务器不能提供服务时,传统的交换机仍会继续将客户请求发
送到这个无效的目的地。为了明白了解传统的交换机和路由器的功能,并了解智能的
内容交换机如何体现先进的交换技术,我们必须先来检查一下Open Systems Interface
(OSI) 模型。
OSI 模型
OSI模型是一个开放式的标准,它定义了不同的设备和计算机是如何互相通讯的。
就象表1.1,它包含7层协议,从物理层到应用层。网络协议如传输控制协议
Transmission Control Protocol (TCP)、用户自寻址协议User Datagram Protocol (UDP)、互
联网络协议Internet Protocol (IP)和超文本传递协议Hypertext Transfer Protocol (HTTP),
都能够被映射到OSI 模型中以便明白不同协议的意图和功能。IP是一个第三层的协议,
而TCP和UDP在第四层上工作。每层的协议能够与另外一台设备上的同层协议互相会
话,并与其紧联着的上层或着下层的协议交换信息。
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第 2/3 层交换
传统的交换机和路由器工作在第2/3层中,也就是说他们根据网络第2/3层的包头信
息决定一个数据包如何处理和被传送到哪里去,而第2/3层交换机通常被设计成需要完
成大量恐怖的数据传输工作。因为有许多有用的信息,是被存放在第2/3层包头所没有
包含的更高层协议的数据段中,所以问题是,我们如何从一个可以观察更高层次协议
的包头信息的交换机中获得益处呢?
第 4 到 7 层交换
网络4到7层交换技术,是指交换机根据数据包的第4至7层协议的包头信息来做数
据包交换。TCP和UDP是本书中最重要的第4层协议,TCP和UDP包头中含有许多重要
的信息可以为智能的交换决策服务。举例来说,HTTP 协议就会经常在TCP80端口提供
Web页面服务。如果一个交换机能够观察TCP端口号码,对一个请求它就能够或者优先
处理,或者阻挡住,或者重定向及发送到一个特定的服务器中。只需要观察TCP 和
UDP端口号码,交换机就能够识别许多常规的应用,包括HTTP、FTP、DNS、SSL和
流媒体协议。利用TCP和UDP信息,第4层交换机能够通过分发TCP或者UDP,连接到
多台服务器而平衡请求的负载。第4至7层交换机这一术语,是既存在真实的成分,也
包含市场推广的噱头的产物。大部分第4至7层交换机至少工作在网络第4层,而且许多
交换机确实提供了观察超过网络4层协议以上的信息的能力。至于在网络4层以上多少
信息或者哪一层的信息能够被交换机观察到,不同的产品就大相径庭。
四. 负载均衡: 定义和应用
随着Internet的出现,网络变成了世界的中心。由于Internet连接着世界和Intranet业
务的运营主干,IT体系架构可被想象成两类设备:作为客户端或服务器的计算机,和
用交换机/路由器来连接这些计算机。从概念上讲,负载均衡器是网络和服务器之间的
桥梁,就象图1.2所示,一方面,负载均衡器理解许多高层的协议,于是它们能够智能
地与服务器进行沟通;另一方面,负载均衡器理解网络协议,于是它们能够与网络设
备高效率地整合在一起。
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