网络负载均衡的控制理论研究

摘　要：网络负载均衡技术NLB（Network Load Balancing）采用完全分配算法来为集群中的服务器分配进入的访问流量，当集群中的某台服务器失效时，NLB会自动转发数据到其他可用的服务器上。负载均衡由多台服务器以对称的方式组成一个服务器集合，每台服务器都具有等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。通过某种负载分担技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。负载均衡能够平均分配客户请求到服务器列阵，使其快速获取重要数据，解决大量并发访问服务问题。

关键词：网络；负载均衡；控制

1 引言

一个面向社会的网站，尤其是金融、电信、教育和零售等方面的网站，每天上网的用户不计其数，并且可能都同时并发访问同一个服务器或同一个文件，加上Internet线路的质量问题，也容易引起数据堵塞的现象，使得访问一个站点需要很长时间，还可能屡次看到某个站点“服务器太忙”，或频繁遭遇系统故障。

负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效的方法扩展服务器带宽和增加吞吐量，加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性和可用性。

2网络负载均衡原理及其控制理论

负载均衡有两个方面的含义：首先，把大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；其次，单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，再返回给用户，使得信息系统处理能力可以得到大幅度提高。

对一个网络的负载均衡应用，可以从网络的不同层次入手，具体情况要看对网络瓶颈所在之处的具体情况进行分析。一般来说，企业信息系统的负载均衡大体上都从传输链路聚合、采用更高层网络交换技术和设置服务器集群策略等三个角度实现。

（1）链路聚合――低成本的解决方案

链路聚合（Link Aggregation），也叫做中继或端口中继，是联合物理网络链路合成单个逻辑链路增加带宽，达到负载平衡和增加故障公差的一种技术。链路聚合可能被用于改进到公共网络的接入，通过聚集调制解调器链路或数字线路。链路聚合也可能被用于企业网络来构造在吉比特以太网交换之间的多个吉比特骨干线路。

通常，解决瓶颈问题采用的对策是提高服务器链路的容量，使其满足目前的需求。例如可以由快速以太网升级到千兆以太网。对于大型网络来说，采用网络系统升级技术是一种长远的、有前景的解决方案。然而在需求还没有大到非得花费大量的金钱和时间进行升级时，实施网络的升级就显得大材小用了。在这种情况下，链路聚合技术为消除传输链路上的瓶颈与不安全因素提供了成本低廉的解决方案。聚合技术将多个线路的传输容量融合成一个单一的逻辑连接。当原有的线路满足不了需求、而单一线路的升级又太昂贵或难以实现时，就可采用多线路的解决方案。链路聚合被认为是一门流量工程设计技术，它能减少拥塞并在必要时分配附加的资源。高效的流量工程设计减少了分组损失和转接延迟，因此提高了总吞吐量。

链路聚合系统增加了网络的复杂性，但也提高了网络的可靠性，使人们可以在服务器等关键局域网段的线路上采用冗余路由。对于计算机局域网系统，可以考虑采用虚拟路由冗余协议（VRRP）。VRRP可以生成一个虚拟缺省的网关地址，当主路由器无法接通时，备用路由器就会采用这个地址，使局域网通信得以继续。总之，当必须提高主要线路的带宽而又无法对网络进行升级的时候，便可以采用链路聚合技术。

（2）高层交换――适合大型网络

大型的网络一般都是由大量专用技术设备组成的，包括防火墙、路由器、第2层/3层交换机、负载均衡设备、缓冲服务器和Web服务器等。如何将这些技术设备有机地组合在一起，是一个直接影响到网络性能的关键性问题。大型网络的核心交换机一般采用高端的机柜式交换机，现在这类交换机一般都提供第四层交换功能，可以将一个外部IP地址映射为多个内部IP地址，对每次TCP连接请求动态使用其中一个内部地址，达到负载均衡的目的。有的协议内部支持与负载均衡相关的功能，例如HTTP协议中的重定向能力。

Web内容交换技术，即URL交换或七层交换技术，提供了一种对访问流量的高层控制方式。Web内容交换技术检查所有的HTTP报头，根据报头内的信息来执行负载均衡的决策，并可以根据这些信息来确定如何为个人主页和图像数据等内容提供服务。它不是根据TCP端口号来进行控制的，所以不会造成访问流量的滞留。如果Web服务器已经为像服务、SSL对话和数据库事务服务之类的特殊功能进行了优化，那么，采用这个层次的流量控制将可以提高网络的性能。

（3）带均衡策略的服务器群集――满足大量并发访问的需求

高可扩展性集群技术就是带均衡策略（算法）的服务器群集。负载均衡群集在多节点之间按照一定的策略（算法）分发网络或计算处理负载。负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效的方法来扩展服务器带宽，增加吞吐量，提高数据处理能力，同时又可以避免单点故障。通过LSANT（Load Sharing Network AddressTransfer）将多台服务器网卡的不同lP地址翻译成一个虚拟IP地址，使得每台服务器均时刻处于工作状态。原来需要用小型机来完成的工作改由多台PC服务器完成，这种弹性解决方案对投资保护的作用是相当明显的，既避免了小型机刚性升级所带来的巨大设备投资，又避免了人员培训的重复投资；同时，服务运营商可以依据业务的需要随时调整服务器的数量。

网络负载均衡提高了诸如Web服务器、FTP服务器和其他关键任务服务器上的Internet服务器程序的可用性和可伸缩性。单一服务器可以提供有限级的可靠性和可伸缩性。但是，通过将2个或2个以上高级服务器的主机连成群集，网络负载均衡就能够提供关键任务服务器所需的可靠性和性能。

能进行负载均衡的网络设计结构为对称结构，在对称结构中每台服务器都具备等价的地位，都可以单独对外提供服务，而无须其他服务器的辅助。然后，可以通过某种技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的每台服务器上，接收到连接请求的服务器都独立回应客户的请求。在这种结构中，由于建立内容完全一致的Web服务器并不困难，因此负载均衡技术就成为建立一个高负载Web站点的关键性技术。

3 结束语

负载均衡主要完成以下任务：解决网络拥塞问题、服务就近提供、实现地理位置无关性，为用户提供更好的访问质量，提高服务器响应速度，提高服务器及其他资源的利用效率，避免了网络关键部位出现单点失效而瘫痪。鉴于网络环境的变迁与应用的日新月异，负载均衡应该根据情况因时制宜，才能达到最佳的效果，提高网络稳定、快速的服务。

参考文献

[1]毕厚杰，陈启美，方晖．IP宽带通信网络技术．北京：北京邮电大学出版社，2004．

[2]杨卫东．网络系统集成与工程设计．北京：科学出版社，2005．

[3]陈耀盛．网络信息组织．北京：科学技术文献出版社，2004．

[4]周扬眉，李云，刘占军，等．一种基于多径负载均衡的无线互联网TcP拥塞控制策略．通信技术，2009．

[5]卢昱，吴中望，王宇，等．网络控制论概论．北京：国防工业出版社，2005．

[6]Rouzbeh Y．全球宽带．北京：北京人民邮电出版社，2004．