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試析服務器負載均衡技術在高校圖書館網絡應用研究
論文關鍵詞:負載均衡 圖書館服務器
論文摘要:闡述了多臺服務器負載均衡的概念、類型和實現方法，介紹了該技術在鄭州師范高等�？茖W校圖書館的應用.
隨著網絡技術的飛速發展，圖書館作為全校的信息資源共享中心，擁有的數字資源快速膨脹，提供的服務內容日益拓寬，讀者對圖書館資源訪問量不斷增加，使得許多初期表現較好的服務器已經顯得疲憊不堪，面對大量的用戶訪問已是無能為力，影響了系統的正常運行，更有甚者，個別服務器經不起大量的負荷而宕機，致使業務中斷，嚴重影響了圖書館的形象。為解決這些問題，很多圖書館采用的方案是購買大量的服務器，而且服務器的配置越來越高。但只是依靠單一的網絡設備提供服務，網絡設備的整體能力得不到充分發揮，使整個系統投入和維護的成本提高，造成了不必要的資源浪費。如何確保為讀者提供低成本、高性能、高可靠的服務是圖書館急需解決的問題。負載均衡技術的不斷完善和應用，為圖書館解決這些問題提供了新的思路。
1負載均衡技術
1.1負載均衡定義
負載均衡是建立在現有網絡結構之上的，它提供了一種廉價、有效、透明的方法擴展網絡設備和服務器的帶寬，增加吞吐量，加強網絡數據處理能力，提高網絡的靈活性和可用性。負載均衡是一種策略，它能讓多臺服務器或多條鏈路共同承擔一些繁重的計算機或多條鏈路共同承擔一些繁重的計算或任務，從而以較低成本消除網絡瓶頸，提高網絡的靈活性和可靠。服務器負載均衡就是由多臺服務器以對稱的方式組成一個服務器集合，每臺服務器都具有等價的地位，都可以單獨對外提供服務而無須其他服務器的輔助。通過某種負載分擔的算法，將外部發送來的請求均勻分配到對稱結構中的某一臺服務器上，而接收到請求的服務器獨立地回應客戶的請求。
1.2負載均衡類型
服務器負載均衡可以分為軟件負載均衡和硬件負載均衡。
(1)軟件負載均衡是指在一臺或多臺服務器相應的操作系統上安裝一個或多個附加軟件來實現負載均衡。也就是利用網絡協議的重定向功能來實現負載平衡。例如:在Http協議中支持定位指令，接收到這個指令的瀏覽器將自動重定向到該指令指明的另一個URL上，與執行服務請求相比，發送定位指令對Web服務器的負載要小得多，因此，可以根據這個功能來設計一種負載平衡的服務器，一旦W eb服務器認為自己的負載較大，它就不再直接發送回瀏覽器請求的網頁，而是送回一個定位指令，讓瀏覽器去服務器集群中的其他服務器上獲得所需要的網頁。在這種方式下，服務器本身必須支持這種功能，然而實現這一目標卻有很多困難，例如一臺服務器如何能保證它重定向過的服務器是比較空閑的，并且不會再次發送定位指令，定位指令和瀏覽器都沒有這方面的支持能力，這樣很容易在瀏覽器上形成一種死循環。因此，這種方式在實際應用當中并不多見，使用這種方式實現的服務器集群軟件也較少。
(2)硬件負載均衡是直接在多臺服務器和外部網絡間安裝負載均衡設備，這種設備我們通常稱之為負載均衡器。負載均衡器在客戶群和服務器群中間起橋接作用，一方面接受客戶的請求，另一方面定時從服務器中獲取負載信息，并將客戶請求提交到當前負載最輕的服務器上執行。此外，當系統中某一臺服務器出現故障時，它就將其上的負載分配到別的服務器上，從而實現了故障接管功能。由于專門的硬件設備完成專門的任務，獨立于操作系統，所以整體性能得到大大的提高，加上多樣化的負載均衡策略，智能化的流量管理，可達到最佳的負載均衡需求。
1.3負載均衡的具體實現方法
常見的負載均衡方法有DNS負載均衡、代理服務器負載均衡、網絡地址轉換負載均衡等。
(1)DNS負載均衡。DNS負載均衡方法是一種最早使用的負載均衡方法，它通過修改DNS設置，為多個地址配置同一域名，從而使訪問同一域名的客戶機，返回不同的服務器地址，達到負載均衡的目的。DNS負載均衡的優點是簡單、易行，并且服務器可以位于互聯網的任意位置上，但是它不能區分服務器的差異，也不能反映服務器的當前運行狀態。這種負載均衡的基本設計思想只能算是負載均衡技術的最初應用。
(2)反向代理負載均衡。使用代理服務器可以將請求轉發給內部的Web服務器，使用這種加速模式顯然可以提升靜態網頁的訪問速度。因此也可以考慮使用這種技術，讓代理服務器將請求均勻轉發給多臺內部Web服務器之上，從而達到負載均衡的目的。這種代理方式與普通的代理方式有所不同，標準代理方式是客戶使用代理訪問多個外部Web服務器，而這種代理方式是多個客戶使用它訪問內部Web服務器.因此也被稱為反向代理模式。使用反向代理的好處是，可以將負載均衡和代理服務器的高速緩存技術結合在一起，提供有益的性能，具備額外的安全性，外部客戶不能直接訪問真實的服務器。可以采用較好的負載均衡策略，將負載非常均衡地分給內部服務器，不會出現負載集中到某個服務器的偶然現象。缺點就是首先必須為每一種服務專門開發一個反向代理服務器，并且針對每一次代理，代理服務器就必須維護一個對外的連接、一個對內的連接，因此對于響應要求特別高的連接請求時，代理服務器的負載也就非常大，容易成為服務的瓶頸。
(3)基于NAT的負載均衡技術。網絡地址轉換(NAT)指在內部地址和外部地址之間進行轉換，使得具備內部地址的計算機能訪問外部網絡，而當外部網絡中的計算機訪問地址轉換網關擁有的某一外部地址時，地址轉換網關能將其轉發到一個映射的內部地址上。因此，如果地址轉換網關能將每個連接均勻轉換為不同的內部服務器地址，此后外部網絡中的計算機就各自與自己轉換得到的地址對應的服務器進行通信，從而達到負載分擔的目的。NAT負載平衡是一種比較完善的負載平衡技術，起著NAT負載平衡功能的設備一般處于內部服務器到外部網間的網關位置，如路由器、防火墻、四層交換機、專用負載平衡器等，平衡算法也較靈活，如隨機選擇、最少連接數及響應時間等來分配負載。
NAT負載平衡可以通過軟硬件方式來實現。通過軟件方式來實現 NAT負載平衡的設備往往受到帶寬及系統本身處理能力的限制。由于NAT比較接近網絡的低層，因此就可以將它集成在硬件設備中，通常這樣的硬件設備是第四層交換機和專用負載平衡器，第四層交換機的一項重要功能就是NAT負載平衡。
2負載均衡技術在圖書館網絡中的應用
圖1中，圖書館的各個服務器連接到核心交換機，并通過防火墻與校園網連接。在實施負載均衡前，每個服務器都承擔一種Web服務，服務器配置的差異和各種數據庫訪問量的差異造成了服務器負載的差異。系統中CNKI系列數據庫、WWW書目檢索系統的訪問量大，致使服務器負載過高，不能為用戶提供高質量的服務。超星數字圖書館服務器在有讀者下載圖書時，突發訪問量大，而大多的時間比較空閑。萬方數據庫服務器和圖書館網站服務器則負載較輕。另外，在任何一臺服務器發生故障時，此服務器承擔的服務也就無法進行。為此，我們計劃優化圖書館網絡信息平臺，建立負載均衡系統，要求具有較高的吞吐能力和處理能力，網絡各層均不存在阻塞，具備對突發流量的承受能力和容災能力。經過研究，我館決定采用F5 BIG-IP5000來實現負載均衡。
FS BIG-IP 5000是F5 Networks公司對流量和內容進行管理分配的設備。它擁有24個端口、具備4-7層全部軟件能力的2/3層交換機，能夠按照眾多業務規則和參數對IP流量進行分類(截聽、檢查、傳送和引導)�？纱_保流量被智能地路由到最高效的目的地進行高速緩存、流量整型或是確定用戶行為。F5利用虛擬IP地址來為用戶提供服務，F5連續地對目標服務器進行L4,L7合理性檢查，當用戶通過虛擬IP地址求目標服務器服務時，FS根據預先設定的負載均衡算法，選擇性能最佳的服務器響應用戶的請求。
在FS-5000上，我們對5臺物理服務器進行配置，建立了2個虛擬服務站點，每個虛擬服務站點對應一個節點池。各節點池目前基本采用輪詢算法，因為各個成員節點配置基本相同，將其權重系數和優先級都設置為1，正常工作時，用戶將訪問第二個虛擬服務器218.28. 191.160;80，負載均衡機在接收到用戶請求后，根據均衡算法，將用戶請求轉發到節點池中的某個節點上，該節點在處理完后，將結果返回給用戶。
系統在采用了FS作應用負載均衡后，圖書館信息平臺明顯獲得了性能的提升，服務器組所能承受的最大并發訪問數能達到400-500個，用戶的請求能得到及時的響應。同時，服務的高可靠性和穩定性得到提高，服務器故障、系統維護或數據維護時，仍可以保持在線信息服務，減少了信息平臺的停機時間。
總之，在圖書館的發展過程中，用戶需求不斷提升，利用多臺服務器，采用相應的負載平衡技術，不僅可以使老式服務器得到充分的利用，達到節約資金的目的，而且將會在很大程度上提高數字圖書館應用的可縮放性，更好地滿足日益變化的讀者需求。
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