CN101945130A

CN101945130A - 一种基于复合域名的服务阵列负载均衡方法

Info

Publication number: CN101945130A
Application number: CN 201010282069
Authority: CN
Inventors: 卢宇彤; 陈海涛; 周恩强; 谢旻; 蒋艳凰; 董勇; 曹宏嘉; 所光
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: CN101945130B

Abstract

本发明公开了一种基于复合域名的服务阵列负载均衡方法，目的是解决高性能计算系统前端服务阵列的负载分配问题。技术方案是先构建由负载状态收集模块、复合域名管理模块、负载分配模块组成的负载均衡系统；负载状态收集模块定期检测服务器是否处于可用状态，收集可用服务器的负载信息；复合域名管理模块根据用户文件生成复合域名表；客户端软件向负载分配模块提交复合域名解析请求；负载分配模块对复合域名进行解析，将得到的服务器网络地址返回给客户端软件；客户端软件接收返回信息，根据返回信息登录所分配的服务器或提示出错信息。采用本发明可在无负载均衡设备时将客户端登录请求引导到合适的服务器，且确保服务器的负载均衡和用户的亲和性。

Description

一种基于复合域名的服务阵列负载均衡方法

技术领域

本发明涉及高性能计算系统前端服务阵列的负载均衡方法。

背景技术

高性能计算系统通常包括前端服务阵列、计算阵列、后端存储阵列三个组成部分。前端服务阵列对外提供远程登录、作业提交、作业调试、资源监控等多种服务，用户使用客户端软件登录到服务阵列获取服务。前端服务阵列通常由多个服务器组成，负载均衡方法负责根据服务器的负载和可用状态将客户端引导到合适的服务器。所谓可用是指服务器处于正常工作状态，能够对外提供服务。目前通常的服务阵列负载均衡方法包括：

（1）客户端手工选择的负载均衡方法。系统管理员预先给所有客户端分发服务阵列中所有服务器的网络地址列表，客户端手工选择一台服务器根据网络地址登录。该方法使用不方便，客户端使用前需人工选择服务器。同时不能保证客户端登录到当前的轻负载服务器，客户端也可能选择了处于故障状态的服务器登录。

（2）系统管理员预先指定的负载均衡方法。系统管理员预先手工分配不同用户组使用特定的服务器，用户只能登录到管理员指定的一台或者几台服务器。该方法是一种静态的负载均衡方法，不能保证服务器之间的负载保持均衡。

（3）由专用前端负载均衡设备分发负载的负载均衡方法。客户端登录请求提交给专用负载均衡设备，负载均衡设备根据服务器的负载将客户端请求转发给可用的轻负载服务器，其后客户端和服务器之间的网络通信经过负载均衡设备转发。该方法能够较好的解决服务器的负载均衡问题，但由于专用前端负载均衡设备通常工作于OSI互联网七层模型中的第三层或者第四层，无法感知用户，所以不能满足用户亲和性需求。所谓用户亲和性是指将同一个用户的多次登录负载分布到同一个服务器上。没有用户亲和性的支持，同一用户的多次登录负载可能分别被分布到多个不同服务器上，很多用户脚本程序将不能正常运行。高端的负载均衡设备可工作在OSI互联网七层模型中的第七层，但一般是针对web应用的特定实现，无法实现应用透明，不适合应用在高性能计算领域，例如基于cookie的负载均衡会话保持以及基于web访问内容的负载均衡技术。

（4）采用专用的客户端软件的负载均衡方法。专用客户端中集成负载均衡和用户亲和性功能，用户通过专用的客户端提交登录请求，客户端获取服务器的负载和用户当前登录情况并选择合适的轻负载服务器执行登录动作。该方法的主要问题是对于不同的客户端操作系统和不同的服务阵列应用需要开发多个专用服务访问客户端。例如Windows XP的SSH登录客户端和Linux的FTP应用客户端。

（5）基于DNS（domain name service）的负载均衡方法。在DNS服务器中，为服务阵列的域名配置多个服务器的网络地址。客户端登录时向DNS服务器提交域名解析请求，DNS服务器采用轮转的方法选择一个服务器的网络地址并返回给客户端，此后客户端登录所分配的服务器。该方法无法保持用户亲和性，同一客户端在不同时间的登录请求可能被引导到不同的服务器。

当前的高性能计算服务阵列所包含服务器的个数通常多于2个，规模大的达到64个以上，同时在线的用户达数百个以上，人工的负载分配方法无法满足负载均衡需求。如何实现较大规模的前端服务阵列的自动负载均衡，且在负载分配时如何保持对应用透明和保持用户亲和性是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对高性能计算系统前端服务阵列的负载分配问题，提出一种基于复合域名的服务阵列负载均衡方法，在无需专用负载均衡设备的前提下，能够根据复合域名将客户端登录请求引导到合适的服务器，引导过程中确保服务器的负载均衡和用户的亲和性。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：在传统域名中引入用户名形成复合域名。客户端通过复合域名的方式提交登录请求，负载均衡系统根据复合域名获取当前登录的用户名，如果用户已经存在活跃登录，则将其引导到已登录的服务器；如果用户当前未登录，则将其引导到可用的轻负载服务器。该负载均衡方法对客户端环境和服务器应用透明，同时保持用户亲和性。

具体技术方案为：

第一步，构建负载均衡系统，负载均衡系统是部署在前端服务阵列中服务器上的负载均衡软件包。它由负载状态收集模块、复合域名管理模块、负载分配模块组成。负载状态收集模块定期检测服务器的健康状态，从可用服务器上收集负载信息，将服务器负载信息发送给负载分配模块。复合域名管理模块负责根据服务阵列操作系统的用户文件生成复合域名表，将复合域名表发送给负载分配模块。负载分配模块接收客户端软件提交的复合域名解析请求，检索该复合域名是否在复合域名表中，如果不在复合域名表中则向客户端软件返回非法域名错误。如果该用户已登录则返回当前登录服务器的网络地址，否则返回当前可用的最低负载服务器。客户端软件是用户所使用的登录到服务阵列的软件，部署在用户终端上。操作系统的用户文件由操作系统所带的用户管理软件所创建和维护，记录服务阵列的所有合法用户信息的文件，例如linux操作系统下的/etc/passwd文件。

第二步，负载状态收集模块按照时间间隔T定期检测服务阵列中服务器是否处于可用状态，收集可用服务器的负载信息。时间间隔参数T的范围为1分钟到5分钟，由管理员人工设定。服务器的负载信息包括CPU利用率、网络带宽利用率、活跃用户总数、活跃独立用户数、活跃用户名。CPU利用率是指一段时间内CPU实际执行的指令数与CPU在该段时间内最多可执行的指令数的比值，其取值范围为0到1。网络带宽利用率是指一段时间内网络设备实际传输的数据量与网络设备在该段时间内最多可传输的数据量的比值，其取值范围为0到1。活跃用户是指已经登录到服务器的用户。活跃用户总数是已经登录到服务器的用户数，包括同一用户重复登录数，为大于等于0的整数。活跃独立用户数是指已经登录到服务器的不同用户数，为大于等于0的整数。所有服务阵列中服务器的负载信息构成负载信息表。

第三步，复合域名管理模块根据操作系统的用户文件生成复合域名表，发送给负载分配模块。操作系统的用户文件中记录了服务器的合法用户信息，包括用户名、登录密码等信息。复合域名管理模块首先从用户文件中提取所有的用户名信息，然后将每个用户名X与服务阵列的服务域名Y进行组合，形成X.Y形式的复合域名记录，将所有复合域名记录写入复合域名表，最后将复合域名表发送给负载分配模块。复合域名管理模块实时检测用户文件的改变，发现有用户增加或者删除后及时更新复合域名表，并将更新后的复合域名表发送给负载分配模块。

第四步，用户通过客户端软件登录服务阵列，客户端软件向负载分配模块提交形式为X.Y的复合域名解析请求。

第五步，负载分配模块收到客户端软件的复合域名解析请求，对复合域名进行解析，将解析得到的服务器网络地址返回给客户端软件。复合域名的解析方法如下：

步骤5.1、构建综合负载表和用户亲和信息表。根据从负载状态收集模块收到的负载信息表，计算服务器综合负载值，生成综合负载表。综合负载表的表项为服务器综合负载值、服务器网络地址。

服务器综合负载值＝80*(CPU利用率+网络带宽利用率)＋10*(0.2*活跃用户总数+0.8*活跃独立用户总数)

根据从负载状态收集模块收到的负载信息表，提取活跃用户名，生成用户亲和信息表。用户亲和信息表中记录已登录的用户信息，表项为活跃用户名、登录服务器网络地址。

步骤5.2、检索从复合域名管理模块接收的复合域名表，判断复合域名的合法性。如果待解析的复合域名不在复合域名表中则为非法域名，返回无效域名错误，并执行第六步。如果待解析的复合域名在复合域名表中，则为合法域名，从复合域名X.Y中提取用户名X。

步骤5.3、根据用户名X检索用户亲和信息表，如果该用户在用户亲和信息表中，则直接输出用户当前所在的活跃服务器地址，并执行第六步。如果该用户不在用户亲和信息表中，则执行步骤5.4。

步骤5.4、检索综合负载表，选择负载最低的服务器，输出该服务器的网络地址。因为负载状态收集模块定期收集服务器负载信息，所以其发送给负载分配模块的负载信息表不包括其最新收集负载的时间点到预定的下一次负载收集时间点之间登录的用户信息。为解决该问题，负载分配模块将当前解析的复合域名中的用户名X、输出的最低负载服务器网络地址作为缓存信息加入本地的用户亲和信息表。

第六步，客户端软件通过标准域名服务协议收到返回信息。如果返回信息为无效域名错误，则提示用户出错信息，要求其重新输入正确的复合域名。如果返回信息为正确的服务器网络地址，则直接登录到该服务器，客户端和服务器之间的网络流量无需经过负载均衡系统。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

1．技术方案中第三步和第五步的步骤5.3支持本发明具有用户亲和性保持能力，能够将同一用户的登录引导到同一台物理服务器上；

2．技术方案中第一步和第六步支持本发明无须部署专用的前端负载均衡设备，客户端和服务器的网络流量无需经负载均衡系统中转，负载均衡系统不会成为访问瓶颈；

3．技术方案中第四步支持本发明对应用透明，无需修改应用客户端软件，能够兼容支持按域名访问的各种高性能应用；

4．技术方案中第二步支持本发明具备负载均衡和故障探测能力。将用户引导到当前可用的轻负载服务器。避免将客户端引导到故障服务器，而且负载均衡能力强于传统域名服务所采用的简单轮转方式。

附图说明

图1 为本发明第一步构建的负载均衡系统逻辑结构图。

图2为本发明总体流程图。

具体实施方式

图1 为本发明第一步构建的负载均衡系统逻辑结构图。

负载均衡系统是部署在前端服务阵列中服务器上的负载均衡软件包。负载均衡系统的开销很低，消耗很少的计算和通信资源。客户端仅在访问服务器阵列之前通过标准的域名访问方式从负载均衡系统获得所分配的服务器的网络地址，此后客户端直接与服务器交互。负载均衡系统不会成为通信瓶颈。

负载均衡系统由负载状态收集模块、复合域名管理模块、负载分配模块组成。负载状态收集模块定期检测服务器的健康状态，从可用服务器上收集负载信息，将服务器负载信息发送给负载分配模块。复合域名管理模块负责根据服务阵列操作系统的用户文件生成复合域名表，将复合域名表发送给负载分配模块。负载分配模块接收客户端软件提交的复合域名解析请求，检索该复合域名是否在复合域名表中，如果不在复合域名表中则返回非法域名错误。如果该用户已登录则返回当前登录服务器的网络地址，否则返回当前可用的最低负载服务器。客户端软件是用户所使用的登录到服务阵列的软件，部署在用户终端上。操作系统的用户文件由操作系统所带的用户管理软件所创建和维护，记录服务阵列的所有合法用户信息的文件。

图2为本发明总体流程图

第一步，构建如图1所示的负载均衡系统。

第二步、负载收集模块按照时间间隔T定期检测服务阵列中服务器是否处于可用状态，收集可用服务器的负载信息。服务器的负载信息包括CPU利用率、网络带宽利用率、活跃用户总数、活跃独立用户数、活跃用户名。所有服务阵列中服务器的负载信息构成负载信息表。

第三步、复合域名管理模块根据操作系统的用户文件生成复合域名表，发送给负载分配模块。操作系统的用户文件中记录了服务器的合法用户信息，包括用户名、登录密码等信息。复合域名管理模块首先从用户文件中提取所有的用户名信息，然后将每个用户名X与服务阵列的服务域名Y进行组合，形成X.Y形式的复合域名记录，将所有复合域名记录写入复合域名表，最后将复合域名表发送给负载分配模块。复合域名管理模块实时检测用户文件的改变，发现有用户增加或者删除后及时更新复合域名表，并将更新后的复合域名表发送给负载分配模块。

第四步、客户端软件向负载分配模块提交形式为X.Y的复合域名解析请求。

第五步、负载分配模块收到客户端软件的复合域名解析请求，综合服务器负载状态和用户亲和信息对复合域名进行解析，将解析得到的服务器网络地址返回给客户端软件。

第六步、客户端软件通过标准域名服务协议收到返回信息。如果返回信息为无效域名错误，则提示用户出错信息，要求其重新输入正确的复合域名。如果返回信息为正确的服务器网络地址，则直接登录到该服务器，客户端和服务器之间的网络流量无需经过负载均衡系统。

Claims

1.一种基于复合域名的服务阵列负载均衡方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，构建负载均衡系统，负载均衡系统是部署在前端服务阵列中服务器上的负载均衡软件包，它由负载状态收集模块、复合域名管理模块、负载分配模块组成；负载状态收集模块定期检测服务器的健康状态，从可用服务器上收集负载信息，将服务器负载信息发送给负载分配模块；复合域名管理模块负责根据服务阵列操作系统的用户文件生成复合域名表，将复合域名表发送给负载分配模块；负载分配模块接收客户端软件提交的复合域名解析请求，检索该复合域名是否在复合域名表中，如果不在复合域名表中则向客户端软件返回非法域名错误；如果该用户已登录则返回当前登录服务器的网络地址，否则返回当前可用的最低负载服务器；客户端软件是用户所使用的登录到服务阵列的软件，部署在用户终端上；操作系统的用户文件由操作系统所带的用户管理软件所创建和维护，记录服务阵列的所有合法用户信息的文件；

第二步，负载状态收集模块按照时间间隔T定期检测服务阵列中服务器是否处于可用状态，收集可用服务器的负载信息；服务器的负载信息包括CPU利用率、网络带宽利用率、活跃用户总数、活跃独立用户数、活跃用户名；CPU利用率是指一段时间内CPU实际执行的指令数与CPU在该段时间内最多可执行的指令数的比值，其取值范围为0到1；网络带宽利用率是指一段时间内网络设备实际传输的数据量与网络设备在该段时间内最多可传输的数据量的比值，其取值范围为0到1；活跃用户是指已经登录到服务器的用户；活跃用户总数是已经登录到服务器的用户数，包括同一用户重复登录数，为大于等于0的整数；活跃独立用户数是指已经登录到服务器的不同用户数，为大于等于0的整数；所有服务阵列中服务器的负载信息构成负载信息表；

第三步，复合域名管理模块根据操作系统的用户文件生成复合域名表，发送给负载分配模块；复合域名管理模块首先从操作系统的用户文件中提取所有的用户名信息，然后将每个用户名X与服务阵列的服务域名Y进行组合，形成X.Y形式的复合域名记录，将所有复合域名记录写入复合域名表，最后将复合域名表发送给负载分配模块；复合域名管理模块实时检测用户文件的改变，发现有用户增加或者删除后及时更新复合域名表，并将更新后的复合域名表发送给负载分配模块；

第四步，用户通过客户端软件登录服务阵列，客户端软件向负载分配模块提交形式为X.Y的复合域名解析请求；

第五步，负载分配模块收到客户端软件的复合域名解析请求，对复合域名进行解析，将解析得到的服务器网络地址返回给客户端软件；复合域名的解析方法如下：

步骤5.1、构建综合负载表和用户亲和信息表，根据从负载状态收集模块收到的负载信息表，计算服务器综合负载值，生成综合负载表，综合负载表的表项为服务器综合负载值、服务器网络地址；

根据从负载状态收集模块收到的负载信息表，提取活跃用户名，生成用户亲和信息表，用户亲和信息表中记录已登录的用户信息，表项为活跃用户名、登录服务器网络地址；

步骤5.2、检索从复合域名管理模块接收的复合域名表，判断复合域名的合法性，如果待解析的复合域名不在复合域名表中则为非法域名，向客户端软件返回无效域名错误，并执行第六步；如果待解析的复合域名在复合域名表中，则为合法域名，从复合域名X.Y中提取用户名X；

步骤5.3、根据用户名X检索用户亲和信息表，如果该用户在用户亲和信息表中，则直接输出用户当前所在的活跃服务器地址，并执行第六步；如果该用户不在用户亲和信息表中，则执行步骤5.4；

步骤5.4、检索综合负载表，选择负载最低的服务器，输出该服务器的网络地址；负载分配模块将当前解析的复合域名中的用户名X、输出的最低负载服务器网络地址作为缓存信息加入本地的用户亲和信息表；

第六步，客户端软件通过标准域名服务协议收到返回信息，如果返回信息为无效域名错误，则提示用户出错信息，要求其重新输入正确的复合域名；如果返回信息为正确的服务器网络地址，则直接登录到该服务器。

2.如权利要求1所述的一种基于复合域名的服务阵列负载均衡方法，其特征在于时间间隔参数T的范围为1分钟到5分钟。