集群負載均衡技術在石油企業中的應用探討

王茹 劉銳 呂歡歡

摘要：隨著企業軟硬件產品增多導致服務器忙閑不均，急需通過結構化的方式整合資源，來進行統一調度。文章調研并分類企業專業應用軟件的資源使用需求，同時構建負載均衡集群系統，探索使用多種調度方法，實現平衡分配與調度。

關鍵詞：集群;負載均衡;Linux專業軟件;LVS;作業調度

中圖分類號：TN929.52? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0094-03

1 引言

隨著世界各國互聯網的規模不斷擴大，信息技術無處不在，各行各業遠程辦公需求不斷增加，國內外企業信息化建設的穩步發展，軟件需求趨向多樣，用戶規模不斷擴大，數據流量爆發式增長，計算強度空前提高，導致硬件設備不斷增多，人們對于服務器的響應能力、可擴展性、可用性的需求越來越高，服務器訪問忙閑不均問題日益增大。同時，由于硬件設備和軟件系統的增多，運維人員面對著不同配置的硬件以及不同應用需求的軟件，對于管理的易用性也有了較高的要求。僅是改善單個服務器的配置已不能滿足及時地處理用戶請求、增加網絡吞吐量、提高設備冗余率的要求。只有通過服務器集群系統，將多臺服務器用局域網連成一個整體結構，并使用負載均衡器對用戶提交的應用任務進行統一調度，才能高速有效地協同完成各類工作。

本文對各類負載均衡算法進行比較和探討，為企業系統建設提供有效依據。

2 企業軟件對系統負載均衡的需求

石油行業油氣勘探開發研究、油氣地質開發評價、非常規油氣勘探開發以及油氣田工程設計等等需要使用多種研究方法和技術手段，在計算機應用技術方面，高性能計算、虛擬化、云計算、高精度圖形處理、三維圖像遠程交互等，在計算機硬件方面，機架式服務器、刀片服務器、工作站、并行機、存儲系統，以及近百套專業應用軟件的配合支持，多人多專業共同完成復雜的生產任務，為勘探開發鉆采的綜合研究提供強大支持。而不同的生產任務，對應著不同的應用技術、硬件資源、軟件資源需求，如何進行科學的分配，如何進行有效的調度，如何利用最少的資源完成最多的應用需求，是企業在信息化建設方面需要研究的問題。而石油行業使用的軟件中，Linux系統應用軟件占有極大的比重。因此，本文對基于Linux操作系統的石油專業應用軟件，對計算資源的使用需求進行分類，研究適用于Linux集群的負載均衡方法。

通過廣泛調研與業務分析，根據專業軟件在進行作業分析與計算中，使用到的CPU、內存、I/O、網絡、圖形處理等資源情況，將現有基于Linux系統的石油專業軟件分類為內存需求型、CPU需求型和圖形處理需求型三類。下面依次對各類軟件中的典型代表進行介紹：

內存需求型：代表軟件為Petrel、Permod等全局分析處理類模塊。這類軟件通常有頻繁的交互需求，為了保證過程的順暢，避免反復讀取存儲數據，消耗I/O資源及網絡資源，會預先將大量的數據讀入內存。這樣從用戶的角度，幾乎感受不到交互操作的卡頓，可以很平滑地完成整個操作流程，但同時導致了服務器的內存占用率始終處于較高的水平。

CPU需求型：代表軟件為Eclipse、CMG、Echos、Omega等油藏數模和地震資料處理類軟件。通常在它們的計算密集型模塊，需要進行邏輯判斷，并且反復迭代，用大部分時間來進行復合函數運算，將前一次的結果作為下一次的初始值，進行再次計算。這就導致CPU始終處在判斷和運算中，利用率始終處于較高水平。遇到較大的體數據時，甚至需要將其預先切割成幾塊數據，分別發送不同的服務器，同時進行作業任務。才能保證，在研究人員可以接受的時長內，得到所需的結果。

圖形處理需求型：代表軟件模塊為Geoprobe、Geoviz、Jason以及Petrel的解釋功能模塊等。此類模塊主要為用戶提供三維可視化的功能，在三維空間內對地層的構造樣式、巖性、沉積特點等進行解釋和計算[1]。其中涉及對地震體所包含的海量數據模型的三維變換、二維投影以及實時渲染，對計算機圖形處理器GPU的性能要求較高，也面臨著一些CPU資源的消耗。目前，越來越廣泛的遠程辦公需要，也促使三維圖像的遠程交互技術得到了更多的發展和應用。

從以上的分類可以看出，隨著硬件設備和軟件產品的不斷增多，服務器訪問量增加，而每一類專業軟件都有它特定的資源需求，長時間下來，必然導致了服務器的忙閑不均。另一方面，使用軟件的用戶對后臺有多少臺服務器可以提供服務、每臺服務器上的應用并發數量及資源使用情況并不了解，只能試探著進行登錄和使用。這就導致有的服務器面臨多人擠兌，無法滿足生產需要，而同時，有的服務器卻未被充分使用，甚至被人忽略的情況。急需一個統一的調度方法，來幫助使用者和運維人員，對資源進行合理的管理和分配。

3 集群負載均衡方法探討

服務器集群系統，是多臺構造相同或不同的設備形成的硬件服務器機群，它們對內協同工作，對外透明，只是提供定向服務[2]。集群系統可以將服務器（刀片式、機架式、塔式等）、工作站、臺式電腦等組成機群，并根據系統的伸縮需求，隨時在其中增加、刪除硬件，保證高可用。服務器機群結構不要求緊湊，對硬件配置也沒有硬性要求，因此即使使用價格低廉的設備，也可以實現較高的系統性能。對于企業設備的采購和更新都十分友好，還可以達到降本增效的目的。

我們將服務器上所有請求服務，所需時間的總和，稱為該設備的負載[3]。若系統目前完成所有請求，所需時間較短，則稱該系統負載較低;若系統目前完成所有請求，所需時間較長，則稱系統負載較高。當有新的作業請求到達時，負載較低的機器可以很快地處理，及時完成并反饋運行結果。反之，負載較高的機器，需要先處理（或同時處理）之前到達的請求，新到的任務，因為需要排隊等待資源，而延長對于該請求運行結果的反饋時間。

負載均衡集群系統，通常按照以下方法搭建：將一個服務器集群系統通過網絡連接到一個專門進行作業調度的負載均衡服務器;服務器集群后端可以連接存儲系統，負載均衡服務器前端連接客戶端，具體結構如圖1所示。負載均衡器將客戶端的各類請求分配、調度到后端的服務器集群中[4]。用戶無須知道提供服務的真實服務器是哪臺，只向負載均衡服務器發送消息，請求完成提交的任務，負載均衡器來進行后續的應答和操作。對于用戶來說，整個體驗過程方便。而如果負載均衡算法使用得當，作業在系統中的分配較平衡，整個集群的處理能力也會非常高效。

通過學習國內外現有技術，我們研究了如下的集群系統負載均衡調度算法。結合企業專業軟件的特點，逐步嘗試應用，摸索出了適用于基于石油企業Linux集群的負載均衡調度算法。

3.1 轉換網絡地址調度

負載均衡服務器在收到作業請求時，首先找到需要將該作業分配給的后臺實際服務器，并重寫原請求的源地址（為負載均衡器）、目標地址（為實際服務器），再將作業分派給實際服務器。當實際服務器完成請求，需要應答時，負載均衡器再反向重寫報文頭信息，并返回客戶端，完成整個負載調度，如圖2。

通過實驗發現，該模式的伸縮能力不強，在服務器節點數量較少時，作業請求較少時，調度流暢。但隨著加入集群的服務器結點數和用戶請求的作業數上升時，請求和響應報文都需要通過負載均衡調度器，調度器及與其相連的網絡成為系統的新瓶頸。如何減輕調度器的負擔，成為新的問題。因此，我們嘗試使用IP隧道方式來進行作業分配與調度。

3.2 IP隧道方式調度

為降低負載均衡器的工作體量，考慮將作業申請資源的請求，即“調度器——實際服務器”一一連接，改為通過IP隧道的方式，建立調度器對一組處理相同業務的實際服務器，一對多連接的模式。每次動態選擇一臺，轉發至實際服務器，同時，將“實際服務器——調度器——客戶端”連接，優化為“實際服務器——客戶端”直接反饋的模式，即實際服務器將響應結果不通過調度器，直接返回給用戶，如圖3。

在此集群系統中，負載均衡器只是將作業申請調度到各后端服務器，應答的信息由后端的實際服務器直接返回至客戶端。這樣，負載均衡服務器降低了一半以上的工作量，可以只處理作業申請請求，而不會成為系統運行的阻礙[5]。但是這種方法中，IP隧道本身也需要消耗資源，而每一臺真實服務器，如果不支持隧道協議，就無法完成加入集群的功能。從這方面來說，提高了運維的難度與硬件成本，對于早年購買的設備不夠友好。利用企業機房設備通過局域網互聯的優勢，我們探索利用更小的資源開銷，來完成集群負載均衡的效果。

3.3 直接路由調度

考慮到專業應用軟硬件資源大部分情況屬于企業內部使用資源，不通過互聯網，只使用內部局域網，負載均衡器與實際服務器連接在同一個網段中的特點。當作業請求到達負載調度器，可以對照路由表信息，找到實際服務器的物理地址，并改寫請求報文表頭，將請求信息廣播給實際服務器[6]，如圖4。

同IP通道模式一樣，直接路由調度模式中，負載均衡器只需處理“客戶端——調度器——實際服務器”間的單向信息流轉，應答包由實際服務器直接發送給客戶端。但與IP通道模式不同的是，直接路由調度避免了IP通道協議的要求及開銷，對可加入集群的硬件設備無“門檻”限制，是對企業最適用的方法。

展望未來，隨著服務器和應用軟件數量的增加、網絡模式的變化、用戶需求的精細化等情況，我們還可以考慮將轉換網絡地址、IP通道、直接路由三種調度方式進行組合。例如，負載均衡器與實際服務器若在同一物理網段，則使用直接路由調度的方式，若不在同一物理網段，則采用IP通道協議;對于網絡安全級別要求高的應用，使用網絡地址轉換的方式來調用，以保證不暴露后端服務器的實際地址等等。根據不同的應用需求，匹配合適的調度算法，來進行資源的負載平衡。

4 結論

本文根據石油企業的實際應用需求，將基于Linux系統的專業軟件分類為內存需求型、CPU需求型和圖形處理需求型三類。并探索通過構建負載均衡集群系統，解決因軟硬件資源增多、服務器訪問量增加而導致的設備忙閑不均等問題。

通過實踐提出轉換網絡地址調度、IP隧道調度和直接路由調度三種方法。本文對比三者的優缺點，并結合行業特點和實際應用需求，提出以直接路由調度法為基礎的負載均衡方法，以達到提高資源利用率、降低成本的目的。

參考文獻：

[1] 康鯤鵬.時移地震流動單元自動追蹤與解釋成果分析[J].電子設計工程，2010，18（12）：80-84.

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[3] 路紅霞.基于多網卡綁定的負載均衡技術的研究[D].東營：中國石油大學（華東），2009.

[4] 彭軍，徐燕.Linux服務器負載均衡的研究與實現[J].計算機與數字工程，2012，40（12）：105-108.

[5] 謝曉勇.智能網絡磁盤（IND）集群存儲系統設計與實現[D].長沙：中南大學，2006.

[6] 馮堅.基于LVS和Openfiler的網絡教學平臺服務器集群系統的設計與實現[J].廣東廣播電視大學學報，2010，19（1）：104-108.

收稿日期：2021-12-26

作者簡介：王茹（1988—），女，山西省絳縣人，中級工程師，碩士，研究方向為計算機應用技術;劉銳（1987—），山東壽光人，中級工程師，碩士，研究方向為計算機應用技術;呂歡歡（1987—），女，廣西玉林人，中級工程師，碩士，研究方向為海洋工程。