基于云計(jì)算的負(fù)載均衡技術(shù)的研究

韋寧

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖文信息中心 廣西壯族自治區(qū)柳州市 545004）

云計(jì)算自出現(xiàn)以來，一直是被當(dāng)做最核心的技術(shù)被廣大企業(yè)和相關(guān)政府所關(guān)注，比如Amazon所提供的涵蓋了彈性計(jì)算云EC2等一系列的云計(jì)算服務(wù)，從而完成了基礎(chǔ)設(shè)備的按需分配、分布式計(jì)算編程等云計(jì)算的服務(wù)[1]。在商業(yè)上有所運(yùn)用以外，對于政府來說云計(jì)算同樣有著非常大的作用，其能夠有效降低政府在信息化上的運(yùn)行成本，而且云計(jì)算服務(wù)還能涉及到電力、電信等經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的建設(shè)當(dāng)中。

不過隨著云計(jì)算的發(fā)展，其規(guī)模逐漸擴(kuò)大的情況下，隨之而來的問題是因其應(yīng)用多樣性和用戶需求增多，云系統(tǒng)中出現(xiàn)了許多的問題，其中之一便是負(fù)載不均衡的問題，比如其中一小部分的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)載過重的情況，導(dǎo)致沒有剩余的可用的資源。為此，引入了均衡負(fù)載技術(shù)，以此來緩解資源的緊張，提高利用率，降低成本。

1 云計(jì)算技術(shù)概念

云計(jì)算屬于一種新型的計(jì)算機(jī)模式，之所以要命名為云計(jì)算，是其某些特征與真實(shí)中的云的特征有相似點(diǎn)，都是屬于規(guī)模比較大、且可伸縮、邊界不清晰等。雖說云計(jì)算已經(jīng)滲入到人們的生活當(dāng)中，影響著人們的生活的方方面面，在工業(yè)和經(jīng)濟(jì)等都有著非常重大的影響。但是，至今沒有較為清晰和公認(rèn)的對于云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的定義。

現(xiàn)在主要的被廣泛接受的云計(jì)算的定義有：

美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院認(rèn)為云計(jì)算是一種用戶通過利用互聯(lián)網(wǎng)能在任何時刻，快捷訪問互聯(lián)網(wǎng)中的共享資源[2]。

IBM的云計(jì)算白皮書中談到云計(jì)算這一詞，是用作稱呼一個系統(tǒng)平臺，在該系統(tǒng)的平臺中服務(wù)器既可以是物理的也可以是虛擬的服務(wù)器。對于高級的計(jì)算云來說，其通常包含著的資源有：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防火墻和其它相關(guān)安全設(shè)備等[3]。

2 負(fù)載均衡技術(shù)相關(guān)理論

2.1 負(fù)載均衡技術(shù)概念

基于云計(jì)算的背景下，負(fù)載均衡技術(shù)有著兩層含義，其第一層含義中負(fù)載主要體現(xiàn)在負(fù)載執(zhí)行任務(wù)的虛擬機(jī)層當(dāng)中，而另外一層則是體現(xiàn)在實(shí)體機(jī)層當(dāng)中。

原本負(fù)載均衡技術(shù)是屬于傳統(tǒng)的集群環(huán)境的技術(shù)[4]，不過在云計(jì)算當(dāng)中，負(fù)載均衡技術(shù)與在傳統(tǒng)集群中的技術(shù)是有著非常大的區(qū)別，是屬于截然不同的技術(shù)，因此不能放在一起探討[5]。集群環(huán)境中，任務(wù)調(diào)度處理單元是實(shí)際的物理主機(jī)，任務(wù)調(diào)度處理的資源是物理實(shí)體資源。如果主機(jī)配置過多，不僅會在經(jīng)濟(jì)上帶來非常高的成本壓力，而且還會因?yàn)樨?fù)載低的原因?qū)е虏槐匾馁Y源被浪費(fèi)，不管是會從經(jīng)濟(jì)層面上來說，還是從資源層面上來說，都是沒有必要的；但是，如果配置的主機(jī)過少了，又會因?yàn)榧贺?fù)載過高，導(dǎo)致超過了其可以承受的承載能力之外，這同樣也會造成非常大的影響。

2.2 負(fù)載均衡技術(shù)分類

常規(guī)情況下，負(fù)載均衡技術(shù)的分類可以分為靜態(tài)和動態(tài)策略兩種，大家對于負(fù)載均衡技術(shù)的了解還不夠深，而且在技術(shù)上還沒有得到有效的突破，因此當(dāng)時主要是以靜態(tài)方式實(shí)現(xiàn)；后來隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷加大，任務(wù)數(shù)量越來越多，負(fù)載的情況逐漸明顯，靜態(tài)方式明顯逐漸不適應(yīng)了，因此出現(xiàn)了動態(tài)策略。

（1）靜態(tài)策略：靜態(tài)策略的方式其實(shí)非常簡單，它是不會對集群服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時的檢查，這就意味著當(dāng)服務(wù)器中存在有負(fù)載情況的時候，靜態(tài)策略是不會根據(jù)負(fù)載情況，及時對該機(jī)器減少任務(wù)量。靜態(tài)策略是在任務(wù)準(zhǔn)備開始分配之前，它就會根據(jù)每個服務(wù)器的具體的負(fù)載能力，制定好了分配方案，就是把任務(wù)數(shù)分配到每個服務(wù)器上，但是到了系統(tǒng)運(yùn)載的時候，它是不會根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，如果一開始的分配出現(xiàn)了錯誤，就會影響到后面一系列的任務(wù)分配。雖然靜態(tài)策略存在很多問題，而且面對日益增多的任務(wù)量，它已經(jīng)難以適應(yīng)了，不過這種策略的實(shí)現(xiàn)比較簡單，負(fù)載均衡產(chǎn)生的系統(tǒng)額外開銷小。而且對于擁有者來說，這種方式較為簡單，使用起來不會太復(fù)雜。

（2）動態(tài)策略：動態(tài)負(fù)載均衡策略與靜態(tài)策略最大的區(qū)別就是它能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行具體情況，還可以根據(jù)實(shí)時的動態(tài)情況來調(diào)整具體的任務(wù)分配。通過動態(tài)負(fù)載均衡策略，可以把更多的任務(wù)量分配到任務(wù)量少的服務(wù)器上，以及運(yùn)行速度更快的服務(wù)器，從而平衡好各個服務(wù)器，有效防止負(fù)載情況發(fā)生。但是這種方式存在一個弊端，就是因?yàn)橐獙?shí)時的監(jiān)測各個服務(wù)器，所以它會額外產(chǎn)生更多的系統(tǒng)開銷。

其次根據(jù)負(fù)載控制方式的不同，可以分為集中式和分布式的策略，在最早的時候，因?yàn)楫?dāng)時的云規(guī)模較小，系統(tǒng)能夠有效的運(yùn)行，只需要通過集中式的策略可以很好的控制整個系統(tǒng)，但是隨著信息量暴增，網(wǎng)上的任務(wù)量越來越多，這種集中式策略已經(jīng)無法適用于當(dāng)下的社會，所以因此開始轉(zhuǎn)向分布式策略，如圖1。

圖1：分布式策略

（1）集中式策略：集中式策略中是通過總的一臺服務(wù)器然后對其他機(jī)器統(tǒng)一進(jìn)行管理，然后這個服務(wù)器就會定期的對所有的服務(wù)器進(jìn)行檢測，在檢測完了以后會依據(jù)其結(jié)果來判定每個節(jié)點(diǎn)的具體情況，是否有存在負(fù)載，以及哪個服務(wù)器有更多的空閑資源可以進(jìn)行更多的分配。也就是該集中式策略中，只有一個均衡器來進(jìn)行任務(wù)分配，簡單、高效，易于系統(tǒng)維護(hù)，在數(shù)據(jù)較少的時候，這種策略可以說沒有缺點(diǎn)，它能夠很好的分配好任務(wù)，但是隨著數(shù)據(jù)增多，任務(wù)量加大，這種策略就顯現(xiàn)出弊端來，因?yàn)檫@種策略過分依賴均衡器，所有的任務(wù)分配都擠壓在一個均衡器上，隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大對均衡器的計(jì)算速度要求提高，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下，單個硬件的計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足任務(wù)請求量，負(fù)載均衡效率的提升遇到瓶頸，由于過分依賴均衡器，當(dāng)均衡器失效時，會導(dǎo)致整個云計(jì)算系統(tǒng)不可用。而當(dāng)下有沒有足夠的能力與技術(shù)，不斷對均衡器進(jìn)行優(yōu)化與省級，而且這樣的做法也并不實(shí)際，所以在這個基礎(chǔ)之上，人們又研發(fā)出了分布式策略。

（2）分布式策略：分布式策略沒有部署負(fù)載均衡器，也就是沒有單獨(dú)的一臺均衡器來控制所有的服務(wù)器。每一臺服務(wù)器都參與任務(wù)調(diào)度，通過所有的服務(wù)器都參與到任務(wù)的分配中時，從而減輕壓力，與集中式策略相對來說，分布式策略能夠有效降低服務(wù)器的壓力。分布式策略中，每個服務(wù)器既是獨(dú)立的，也是一體的，獨(dú)立是它們各自接受任務(wù)的分配，不占用彼此的空間，而服務(wù)器一體指的是所有的服務(wù)器都是共通的，各自共享信息，通過信息的共享能夠得知哪個服務(wù)器出現(xiàn)了負(fù)載情況。所以只要發(fā)現(xiàn)哪個服務(wù)器有可能會出現(xiàn)負(fù)載情況時，便能及時作出調(diào)整，所以這種系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。因此它比起集中式策略來說，它更加符合現(xiàn)代的客戶需求。

3 以云計(jì)算為后臺的負(fù)載均衡技術(shù)設(shè)計(jì)

之所以要在云計(jì)算當(dāng)中運(yùn)用負(fù)載均衡技術(shù)，就是為了考慮到云計(jì)算一旦出現(xiàn)負(fù)載情況時會造成非常大的不必要的浪費(fèi)，因此通過負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用，可以有效的節(jié)省資源，更加高效的利用資源，同時提升系統(tǒng)的整體性能，從而更加高效的工作，滿足人們的需求。

對于傳統(tǒng)的均衡技術(shù)來說，通常都是基于服務(wù)器的一個響應(yīng)速度的快慢、連接數(shù)量的多少來使用的，雖然說通過均衡負(fù)載技術(shù)，可以有效提升系統(tǒng)的使用效率，避免出現(xiàn)負(fù)載的情況，節(jié)省資源等等。不過在使用均衡負(fù)載技術(shù)時，由于其對象粒度過大，實(shí)際的操作過程中是很難保證負(fù)載均衡的效果，還是會出現(xiàn)不必要的浪費(fèi)。不過隨著運(yùn)用虛擬化技術(shù)，是能夠把均衡對象的粒度變小，把資源具象化。

基于傳統(tǒng)的IT架構(gòu)的基礎(chǔ)之上，引入了云計(jì)算系統(tǒng)，針對系統(tǒng)負(fù)載的情況進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。

圖2：云計(jì)算負(fù)載擴(kuò)展技術(shù)架構(gòu)

在這個云計(jì)算負(fù)載擴(kuò)展技術(shù)中，本地服務(wù)器是所有用戶想要查閱信息的進(jìn)入端口，隨著本地服務(wù)器的信息量增多，系統(tǒng)就會開始分析負(fù)載的情況，合理分配任務(wù)量，有效降低負(fù)載情況。

4 云計(jì)算中負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用分析

在傳統(tǒng)的方法當(dāng)中，高性能計(jì)算集群是最為普遍的應(yīng)用于解決公司IT性能的方式，為了能夠達(dá)到提高性能的作用，提高計(jì)算效率，采用的方式是把收集到的任務(wù)根據(jù)負(fù)載情況發(fā)送到不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。為了能夠很好的應(yīng)對云計(jì)算負(fù)載的情況，可以通過搭建空閑資源池的方式來解決，就是在云計(jì)算系統(tǒng)中，有一個專門應(yīng)對負(fù)載的空閑資源池，有了這個資源池后，系統(tǒng)可以更加高效的分配任務(wù)，防止負(fù)載情況發(fā)生。用戶在用機(jī)器提交任務(wù)的時候，該系統(tǒng)會擇優(yōu)選擇在資源池中目前對它來說最合適的一臺機(jī)器，往往也就是最為空閑的機(jī)器，然后再通過遠(yuǎn)程控制的方式來把需要做的任務(wù)分發(fā)出去，這就是充分的利用資源，通過分析把最為空閑的機(jī)器利用起來，并實(shí)現(xiàn)資源的共享，減少機(jī)器的負(fù)載情況。

中間件的功能主要是起到統(tǒng)領(lǐng)的作用，所有參與工作的機(jī)器，都是不具備自行分析負(fù)載情況的，如果沒有了中間件，機(jī)器就會不斷收錄信息，且不管自身是否出現(xiàn)了負(fù)載，當(dāng)有了中間件的介入以后，它可以通過數(shù)據(jù)的分析，控制好每臺機(jī)器的具體情況，針對可能會出現(xiàn)負(fù)載的機(jī)器會減少任務(wù)量，對于較為空閑的機(jī)器，就會加大任務(wù)量，以這樣的方式來保持各個機(jī)器都能較好的運(yùn)行。

5 結(jié)論

隨著云計(jì)算的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了本地負(fù)載不足的情況，如果不加以重視，負(fù)載的情況會影響到云計(jì)算的資源利用率下降，因此通過負(fù)載均衡技術(shù)能夠有效解決云計(jì)算負(fù)載的問題。