基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石榮水，山發(fā)軍

（南京南瑞集團(tuán)公司信息系統(tǒng)集成分公司，江蘇 南京 210000）

在快速發(fā)展的信息及計(jì)算機(jī)技術(shù)的影響下，負(fù)載的類型及其異構(gòu)性發(fā)生了質(zhì)的變化，目前廣泛應(yīng)用的路由技術(shù)，促使計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)管理日益復(fù)雜化，社會(huì)重視程度不斷增高。尤其是均衡技術(shù)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)寬帶得到有效拓展，吞吐量大大增加，處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的能力進(jìn)一步增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)可用性以及靈活性得到極大提高。本文利用Java Socket的通信技術(shù)和TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種均衡式網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)管理。

1 TCP/IP協(xié)議概述及特點(diǎn)分析

（1）協(xié)議介紹。國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)及其基本協(xié)議稱之為互聯(lián)因特網(wǎng)、TCP/IP、網(wǎng)絡(luò)傳通信控制等協(xié)議，TCP和IP協(xié)議組成其基本構(gòu)架。TCP/IP對(duì)電子設(shè)備與因特網(wǎng)連接的方式及數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義。協(xié)議層級(jí)結(jié)構(gòu)為4層，每層的自身需求通過其下層進(jìn)行協(xié)議提供來完成。對(duì)于傳輸問題TCP可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并發(fā)出指令進(jìn)行重新傳輸，確保所有數(shù)據(jù)的傳輸安全準(zhǔn)確。為因特網(wǎng)各個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所規(guī)定的地址為IP。

（2）協(xié)議特點(diǎn)。為使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔化，設(shè)計(jì)時(shí)其結(jié)構(gòu)多采用分層式。網(wǎng)絡(luò)不同，其名字、層數(shù)量、內(nèi)容以及功能各有不同。網(wǎng)絡(luò)相同時(shí)，可通過第N層的協(xié)議完成設(shè)備與設(shè)備之間的第N層的通信，協(xié)議內(nèi)容主要包括怎樣實(shí)施通信進(jìn)而達(dá)到一致的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)等進(jìn)程指的是不同設(shè)備所包含的各對(duì)應(yīng)層實(shí)體。在協(xié)議作用下完成對(duì)等進(jìn)程通信時(shí)，不需要設(shè)備與設(shè)備第N層之間數(shù)據(jù)的直接傳送，而是首先將每層數(shù)據(jù)以其控制信息進(jìn)行處理，然后再向更下一層進(jìn)行傳送，直至底層。層與層之間留有接口，定義自下而上進(jìn)行傳輸。上下兩層實(shí)施信息交換，需要對(duì)等接口應(yīng)當(dāng)保持統(tǒng)一原則一致性。網(wǎng)絡(luò)體系的結(jié)構(gòu)主要由協(xié)議結(jié)合與層構(gòu)成。

通常情況下，實(shí)體是指每層活動(dòng)元素，可為軟件或者硬件。第N+1層使用由第N層的實(shí)體所提供的服務(wù)。因此，服務(wù)用戶為第N+1層，而服務(wù)的提供者為第N層。在服務(wù)的接入點(diǎn)將服務(wù)向上層提供。服務(wù)包括面向連接與面向無連接兩種，對(duì)于服務(wù)的描述通過原語(yǔ)來實(shí)現(xiàn)，訪問用戶具有原語(yǔ)使用權(quán)。

（3）參考模型。該參考模型所使用的體系結(jié)構(gòu)為ARPANET。該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在其兩個(gè)協(xié)議后稱之為TCP/IP Reference Model參考模型，簡(jiǎn)稱TCP/IP。

TCP/IP參考模型對(duì)于Network Access Layer網(wǎng)絡(luò)訪問層沒有進(jìn)行詳細(xì)描述，僅要求主機(jī)需將某協(xié)議同網(wǎng)絡(luò)連接。整體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵組成部分是Internet Layer互聯(lián)網(wǎng)層，分組通過主機(jī)向全部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行獨(dú)立發(fā)送。由于所經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，分組的發(fā)送及達(dá)到具有不同的順序。當(dāng)高層要求順序收發(fā)組分時(shí)，則需要對(duì)組分排序進(jìn)行處理。互聯(lián)網(wǎng)層所使用的協(xié)議為IP，Internet Protocol因特網(wǎng)協(xié)議。TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)層與OSI網(wǎng)絡(luò)層具有相似的功能。目的端及源端設(shè)備對(duì)等實(shí)體間的會(huì)話可通過Transport Layer傳輸層來實(shí)現(xiàn)。該層進(jìn)行了TCP，傳輸控制和用戶數(shù)據(jù)報(bào)等兩個(gè)協(xié)議的定義。TCP協(xié)議為面向連接式，可傳輸可靠性報(bào)文及連接服務(wù)上層應(yīng)用等，不僅能夠傳輸基本數(shù)據(jù)，同時(shí)還具有保證可靠性、多路復(fù)用、控制流量、控制安全性及優(yōu)先權(quán)等作用。UDP協(xié)議為不可靠的、面向無連接協(xié)議，在無需流量控制和TCP排序等應(yīng)用程序中得到廣泛應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)

（1）硬件系統(tǒng)的搭建。該系統(tǒng)的硬件主要包括網(wǎng)絡(luò)管理的服務(wù)端、數(shù)據(jù)的客戶端與服務(wù)端、開發(fā)板mini2440 ARM、路由器。用戶請(qǐng)求可通過客戶端向網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)設(shè)備進(jìn)行發(fā)送，或者向數(shù)據(jù)的服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，并對(duì)來自客戶端的數(shù)據(jù)予以接收。開發(fā)板的類型為嵌入式s3c2440芯片，穩(wěn)定的系統(tǒng)運(yùn)行可通過具有穩(wěn)定專業(yè)性能的復(fù)位芯片和CPU內(nèi)核的電源芯片來實(shí)現(xiàn)。實(shí)施沉金工藝設(shè)計(jì)mini2440PCB四層板，布線專業(yè)等長(zhǎng)，確保完整的信號(hào)線信號(hào)，系統(tǒng)為嵌入式WindowsCE 5．0/6．0和Linux。在開發(fā)板mini2440 ARM上進(jìn)行信令服務(wù)設(shè)備的部署，可完成數(shù)據(jù)請(qǐng)求的接收、管理路由器、進(jìn)行處理信息的反饋等。利用路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)的客戶端、服務(wù)端以及開發(fā)板之間的連接。路由器首先對(duì)客戶端發(fā)來的請(qǐng)求給予接收，然后向部署在開發(fā)板上的網(wǎng)絡(luò)管理的服務(wù)端發(fā)送，同時(shí)還要對(duì)開發(fā)板反饋的數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)的客戶端輸送，并對(duì)來自客戶端數(shù)據(jù)予以接收，最后向服務(wù)端發(fā)送。

（2）設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。按照系統(tǒng)所提出的要求，對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的框架進(jìn)行劃分，主要分為數(shù)據(jù)管理及網(wǎng)絡(luò)管理兩個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于采集、接受、管理、發(fā)送數(shù)據(jù)等由數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)來完成。網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)來自數(shù)據(jù)的客戶端請(qǐng)求進(jìn)行分析，并對(duì)數(shù)據(jù)的源地址以及目的地址、數(shù)據(jù)的類型、分段與否、服務(wù)等級(jí)等屬性實(shí)施保存，結(jié)合當(dāng)前的鏈路情況，進(jìn)行可用鏈路的分配，并進(jìn)行反饋。

（3）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)。進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、管理、接受及發(fā)送是數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)基本功能。主要包括數(shù)據(jù)的采集、管理、接受、發(fā)送和定時(shí)刷新等模塊。比如，可按照數(shù)據(jù)大小及各鏈路的質(zhì)量比例將客戶端的軟件進(jìn)行分段，如200M的一個(gè)數(shù)據(jù)，2條鏈路2:3的質(zhì)量比，可將新聞稿件分為80M與120M兩段，并由2條鏈路實(shí)施傳送。①采集模塊。在組件Swing JfileChooser的作用下，數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)路徑的獲取。起始階段，數(shù)據(jù)的客戶端為偵聽狀態(tài)，在事件觸發(fā)后，偵聽程序?qū)?shù)據(jù)開始讀取。該模塊的功能主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。②管理模塊。該模塊把采集所得數(shù)據(jù)在字節(jié)的數(shù)組里進(jìn)行緩存與封裝，并進(jìn)行諸如名稱、ID號(hào)、分段與否、大小等屬性的添加，然后再將屬性進(jìn)行約定二進(jìn)制命令傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)管理的服務(wù)端，利于分段以及鏈路的分配，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)端反饋過來的內(nèi)容，將數(shù)據(jù)分段、進(jìn)行計(jì)算機(jī)端的口號(hào)分配等。③發(fā)送模塊。由數(shù)據(jù)的采集模塊所提供的原始數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)送模塊封裝并實(shí)施分段，通過輸出流Socket DataOutputStream經(jīng)不同計(jì)算機(jī)的端口將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)向路由器發(fā)送，然后結(jié)合端口號(hào)，由路由器按照指定鏈條將數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)的服務(wù)端發(fā)送。④接受模塊。通過輸入流Socket DataInputStream，數(shù)據(jù)的服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)的客戶端所發(fā)數(shù)據(jù)的接收，并按照數(shù)據(jù)屬性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，再經(jīng)輸出流對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，確保數(shù)據(jù)的完整性。起初為偵聽狀態(tài)的數(shù)據(jù)服務(wù)端，在事件觸發(fā)后，偵聽程序?qū)?shù)據(jù)實(shí)施讀取。該模塊的主要功能是數(shù)據(jù)接受。⑤定時(shí)刷新。在系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)行過程中，緩存數(shù)據(jù)會(huì)被具有定時(shí)刷新功能的模塊實(shí)施刷新，并對(duì)緩存與系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)發(fā)送成功的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除清理。

（4）網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。①請(qǐng)求管理。客戶請(qǐng)求經(jīng)輸入流C Socket獲得，起初為偵聽狀態(tài)的服務(wù)端在事件觸發(fā)后，偵聽程序?qū)φ?qǐng)求數(shù)據(jù)實(shí)施讀取并儲(chǔ)存。②鏈路管理。鏈路的檢測(cè)軟件內(nèi)當(dāng)前全部鏈路質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)部的軟件接口作用下獲得，并對(duì)通過信息緩存隔斷實(shí)際進(jìn)行一次更新。③反饋管理。該模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行所有緩存請(qǐng)求數(shù)據(jù)的讀取，并計(jì)算由相關(guān)算法所計(jì)算出來的控制命令，路由器經(jīng)telnet進(jìn)行配置。比如由指定的鏈路對(duì)tcp數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，然后向數(shù)據(jù)的客戶端進(jìn)行結(jié)果信息的反饋。

3 模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)備構(gòu)成

PC機(jī)4臺(tái)、路由器2臺(tái)、開發(fā)板ARM1塊為試驗(yàn)的主要設(shè)備。其中4臺(tái)PC機(jī)中，數(shù)據(jù)的客戶端3臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)的主機(jī)1臺(tái)。

4 結(jié)果分析

通過試驗(yàn)可知，實(shí)際運(yùn)行中該平臺(tái)功能正常發(fā)揮，通過路由器將全部設(shè)備進(jìn)行連接最終形成組網(wǎng)，數(shù)據(jù)由采集、管理到發(fā)送接收等系列程序數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)來完成，當(dāng)前各個(gè)主機(jī)需要傳輸數(shù)據(jù)的屬性可由網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)利用有客戶請(qǐng)求內(nèi)容而獲得，以所獲數(shù)據(jù)為根據(jù)生成命令，路由器經(jīng)telnet完成配置，并向客戶端反饋。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)于用戶信息的處理利用計(jì)算機(jī)路由技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，按照信息內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)用戶可用鏈路分配的有效性，綜合分析結(jié)果整合、協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行提供保障，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

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