云計算平臺負載均衡研究

郭香柏

摘 要 該新型云計算技術自推出以來，其發展勢頭是不可阻擋的，它對應用服務模式產生了巨大的影響：從概念到開發再到實踐，云計算框架技術人員一個接一個地提出，涵蓋了各個方面，甚至精益求精。計算機的發展一直是企業和學者研究的熱點。本文首先分析了云計算、云資源規劃和管理的現狀，然后考察了現有的資源規劃策略和負載均衡算法，將資源規劃策略與負載均衡算法相結合，提出了一種基于負載均衡的云資源規劃策略，并對該策略在云平臺和云仿真平臺上的實現能力進行了分析，最后總結了本文的研究內容和研究過程中存在的不足，希望對相關行業發展有所裨益。

關鍵詞 云計算技術 負載均衡 Hadoop技術

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）03-0016-03

隨著云計算技術的發展，用戶需求趨于多樣化，應用類型變得更加復雜。本文對資源分配、負載平衡、計劃和控制等方面的具體要求作了較為詳細的介紹，如資源的分組和劃分、任務提交方式的選擇、資源規劃策略和算法等。云計算資源規劃的目標是在云平臺系統總吞吐量的前提下，實現系統資源的最優規劃，并根據用戶需求平衡系統內部的負載。從服務質量（QoS）的角度看優化規劃的實施、最優完成時間、經濟原則和負載均衡四個方面考慮。現在我們可以在互聯網上做更多的事情，比如在線學習、在線購物、隨時隨地收發電子郵件、組織或參加在線會議等等。不可否認，互聯網給我們的生活和工作帶來了很多便利，比如在網上購物時自動完成關鍵詞或者同類產品的推薦。這些服務讓我們的選擇更加容易，并根據每個人的不同情況進行優化，達到精準推送的效果。在工作和學習時，我們會在互聯網上快速輕松地生成大量數據。這些數據需要在網絡上進行存儲和處理，而且數據量越來越大。此外，是越來越多的智能設備（如iPhone、iPad和智能手表的出現和普及，增加了信息發布者和接收者的舒適度和效率，能隨時隨地進行拍照、錄像等活動，還可以在線社交和網上購物）負載均衡在Hadoop集群系統中非常重要，合理的負載均衡策略可以提高性能和易用性。Hadoop集群的任務規劃策略和規劃模式對負載均衡影響很大，但目前Schadoop集群的Hayulink模式在使用數字圖書館時并不偏愛負載均衡技術。問題之一是在云計算環境中，云計算節點的任務比它們的任務更重要。要實現不同地理位置的云計算平臺的異構性，一些計算任務必須由其他異構節點完成。優化配置的計算機程序和硬件資源，可傳輸至異構云節點[1]。

在云計算環境中，每一個云計算提供商都處于不同的地理位置，無法創建標準的云計算域。如果云計算平臺的用戶數量和負載保持不變，那么對云服務的需求就會隨著時間和能力的變化而動態變化。當SQLServer云在服務器上添加大量新節點時，會直接導致以下問題：

（1）由于大量的新節點加入到云中，云中的一些節點消耗了大量的資源，甚至云中的一些服務也會使其他節點的云計算資源不活躍或損壞，導致過載。

（2）不同的云服務提供商提供了不同的云計算平臺，但整個云計算平臺的應用和數據并不統一，不能互相操作和傳輸[2-3]。

因此，本文不僅改進了負載均衡機制，而且考慮了云計算環境的異構性。

1 研究問題及現狀

負載均衡是云計算發展中的關鍵問題之一。原因如下：首先，在不同的云服務提供商構建的云計算平臺中，需要提高軟硬件資源、應用資源、服務資源的利用率，以實現資源優勢、優化配置，提高客戶滿意度。在異構云計算環境中，不同的云計算平臺之間的負載平衡機制可以為用戶提供更好、更便宜的云資源。由于云計算的擴展，云計算資源分配系統將根據用戶的資源需求而變化。負載平衡機制允許動態地分配資源，而無需從硬件和軟件中指定額外的資源，以使峰值要求最小化。

Hadoop技術提供的負載平衡機制能夠滿足少數云服務的需求。然而，當異構云計算平臺對云服務資源有大量的需求時，其可擴展性、靈活性等方面存在諸多限制，無法解決異構云計算平臺的資源規劃問題，而如今已經出現了一種更好的異構交叉負載平衡機制。

目前，領先的云計算供應商包括谷歌、亞馬遜、桉樹和微軟。在云計算平臺上，Google提供了一種基于Hadoop技術的負載平衡機制。提供應用操作接口來確定虛擬機平臺是否為軟件資源提供服務，并推動和開發軟硬件。資源下行方案[4]的特點是用戶無法訪問底層程序和硬件資源，亞馬遜云計算平臺的負載均衡機制主要包括三個方面：靈活的負載均衡機制、云服務分配資源和云服務。資源分配機制，云服務資源分配過程的監控和統一機制，云資源動態擴展和用戶需求管理，實時監控整個云服務流程、資源分配和流程管理。 Eucalyptus采用集中式負載均衡控制器來實現云計算平臺的負載均衡機制。有三種類型的控制器：云節點控制器、計算機集群控制器和云控制器。Microsoft使用控件結構來實現負載平衡機制，負載均衡方法在很大程度上取決于云服務的類型。針對不同類型的云服務，使用Azure Fabri Controller服務和Azure Fabri Controller來完成負載平衡機制。GoGrid云計算平臺采用了一種相對開放的負載均衡方法，它記錄每個服務器的負載平衡機制，并為客戶端提供負載平衡用戶界面。這些云服務提供商提供的負載均衡機制存在兩個共同的問題：在異構云計算平臺上實現集中式性能、可擴展性和不可管理性。

1.1 云計算發展背景

云計算被認為是繼個人電腦和互聯網之后信息技術的又一個重大變化。這種變化不再僅僅是技術上的變化，而是經營方式的變化。云計算不再像傳統的新技術那樣為用戶提供硬件，相反，它變成了一種服務，它不只是使用傳統的計算機作為新技術，而是提供一個像云這樣的集中式網絡，為用戶提供個性化服務。

云計算的發展得益于網絡應用的革命。傳統的計算機模型存在許多問題，這些問題阻礙了計算機技術的發展，如基礎設施建設的啟動，潛在開發成本的減少。雖然最終只有少數先進的應用程序能夠提供服務，但用戶仍然需要開始進行基礎設施建設，這大大增加了建設成本和使用時間。開始使用互聯網后，服務提供商仍將負責下一階段的維護工作，因此不會集中精力開發新項目。為了擴展服務平臺，當需要改變云平臺或服務規模時，必須對傳統的計算模型進行較大的修改。

在此基礎上，提出了云計算技術的發展方向。云計算的使用具有靈活性、可靠性和可擴展性的特點，企業甚至用戶都可以在云服務商提供的云平臺上快速搭建自己的系統。考慮到基礎設施的維護，不需要考慮底層的具體實現，只需要在平臺上專心搭建自己需要的服務或系統即可。云平臺的可擴展性也能得到滿足，用戶不斷變化的需求降低了服務成本。

1.2 云計算的定義

云計算是一個新名詞，2007年云計算技術才正式進入萌芽階段。然而，在2008年12月，Andy Isherwod 說：很多人開始轉向云計算研究，但我從未聽到兩個人說得是一回事。Larry Ellison 在《華爾街日報》中提到：談到云計算，一個有趣的現象是我們經常根據我們所做的事情重新定義云計算。至于云計算的定義，有很多不同的類型，云計算的實現也大不相同。維基定義的云計算是一種在線計算方法。這樣，可以根據需要向計算機和其他設備提供通用程序、硬件資源和信息。云計算描述了新的在線 IT 服務、使用和交付模型，通常涉及通過Internet提供動態、易于擴展和虛擬化的資源。美國國家標準與技術研究院（NIST）將云計算定義為按使用付費的模型，該模型提供可用、方便和按需的Internet訪問以及對可配置計算資源（資源包括網絡、服務器、存儲和應用程序）的訪問，這些資源可以快速提供，只需很少的管理工作或與服務提供商的互動。

云計算技術的基本原理是將一個龐大的應用處理程序跨越網絡層劃分為若干個子程序，然后在服務器集群中進行應用搜索，找到合適的應用來處理用戶請求，最后將結果返回給用戶。

2 云計算平臺負載均衡機制的基本原理及過程

同一個云計算平臺按類型分為N個云計算域。資源管理器實現了負載均衡、安全認證、計費服務、容錯計費機制、故障恢復等功能。同時，資源管理器在虛擬資源池中構建異構資源，云計算平臺為用戶提供對異構云計算平臺的訪問。假設p=1，在每個云計算區域的資源管理器和其他云計算區域的資源管理器之間建立虛擬連接。必須強調的是，研究人員的數量不能太多，因為人力資源管理司負責執行區域內平衡機制等職能，云計算的管理和實施機制不同，地區之間差異很大。如果研究人員過多，研究人員之間的網絡溝通就會變得非常復雜，分析帳戶資源管理器消耗了大量的計算資源，這與原來的設計不符，研究人員可以根據需要斷開或添加默認的Internet連接。如果云節點遇到錯誤，資源管理器可以基于容錯和錯誤恢復重置新的資源管理器。在這個過程中，檢測特定的代理來監控整個網絡，不斷檢測網絡資源管理器的虛擬連接，通過改變網絡連接的配置來適應計算環境的變化，實現自動加載平衡異構云計算環境。

3 模擬實驗及結果分析

云計算技術與移動技術的結合充分利用了移動技術的異構性，通過與其他異構云計算平臺的合作協商，將來自云應用或服務的數據封裝在云計算中，移動代理完成資源分配研究，可以在異構環境中實現更好的負載均衡機制。基于上述理論，云計算環境模擬了一個基于異構云計算平臺的負載均衡模型，在虛擬資源池中設置了5個云計算域，為每個云節點創建了100個虛擬云節點。每個域具有相同的處理能力，EC值為1，識別因子的初始值設置為 100。在云計算環境中，隨機選取100個云節點作為異構層級值識別因子，執行步長設置為固定值，固定值設置為10步，同時隨機分配500個云服務任務到分配的云計算區域中的所有節點。指定單位時間t作為負載均衡操作，每個云節點計算一個元素任務，所有因素都檢查一次，檢測滿足云節點、進程負載均衡和云節點檢測的要求。信息已更新，隨機下載50個隨機選擇的云節點，隨后啟動系統，并在異構云計算環境中隨機選擇10個過載的云節點，實現10個過載的云節點的負載均衡方法。在本文中，選擇了10個隨機運行、輕負載的云節點來實現低負載均衡方法。設置10個輪詢步驟和負載均衡流程后，隨機重新選擇云節點，實現新一輪的負載均衡過程。

發現代理后，每20個負載平衡周期從資源管理器中提取實時負載數據。經過50次會話，基于異構云計算平臺的負載均衡模型與 Hadoop 提出的虛擬負載均衡機制的仿真結果進行比較，計算出負載均衡導致的各云計算區域中負載管理器的標準差機制。在Hadoop架構下，基于異構云計算平臺的負載均衡機制比一般的負載均衡機制降速更快，性能優于標準的負載均衡機制。

4 結語

負載均衡問題是云計算技術在數字圖書館中應用的關鍵問題之一。它是指在云計算環境下，某個云節點的計算任務超出了該節點應該承擔的計算任務，而需要將超載節點的部分計算任務，移植到云環境中分布在不同地理位置的其他同構或異構云計算平臺的其它云節點上，使得云計算環境中的計算資源、軟硬件資源、應用資源等能夠達到最優化的配置。

在云計算環境中，各個云計算服務供應商位于不同的地理位置，彼此之間沒有形成統一的云計算標準，各云計算平臺所提供的計算資源和云計算能力存在著較大的差異。當云用戶數量及云計算平臺的計算負荷達到一定程度時，云服務請求就會隨時間及計算量的變化產生動態變化。當云服務提供者在服務器端加入了一定數量的新節點后，就會帶來三個直接的問題：

1.由于大量新節點的加入，云計算環境中出現節點故障的可能性會增加。

2.在處理某些云服務時會出現某些云節點的計算資源消耗過大，甚至會出現超負荷的情況，而另外一些云節點的計算資源消耗則處于閑置或低負荷狀態。

3.不同的云服務供應商提供了不同云計算平臺，彼此之間是異構的，各個云計算平臺的應用和數據無法實現互相操作和可移植。

正如范佩西所說，“云計算離我們不遠了”“它可以推動圖書館事業的發展，使圖書館學處于學科的頂峰”。云計算中的一些技術問題也限制了云的發展，在使用庫計算時，其中之一就是研究負載均衡機制。 目前，云服務商提供的云計算平臺可能比想象中的實驗平臺復雜，理論模型在實驗中可以實現，但與實際情況存在差異。

參考文獻：

[1] 董衍旭，狄慧芳，宋婭.基于GA-ACO的云計算負載均衡算法研究[J].國外電子測量技術，2019（04）：116-120.

[2] 陳臣，高軍.云計算環境下基于服務質量的數字圖書館負載均衡機制研究[J].新世紀圖書館，2014（02）：48-51.

[3] 耿強，黃雪琴.云計算下的一種自適應負載均衡算法的研究[J].科技通報，2019，252（08）：137-141.

[4] 李菁.改進快速稀疏算法的云計算資源負載均衡[J].微型電腦應用，2019，35（10）：36-38.