CN103546504A - 基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统及方法，它是通过在一台物理负载均衡服务器的硬件平台上安装一个操作系统，在所述系统的应用层创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块、两个或者两个以上的虚站点及其虚站点路由选择等来实现。本发明避免了来自虚拟平台的影响，可进行各种针对硬件的性能优化，且应用层隔离粒度灵活，可以相当细微，也便于调整。本发明使得一台物理负载均衡服务器可提供更多的虚拟负载均衡设备，每台虚拟负载均衡服务器的资源可根据需要实时调整，提供不逊于物理设备的应用服务。

Description

基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统及方法

技术领域

本发明涉及网络应用领域，特别涉及一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统及方法。

背景技术

云计算已经拉开IT架构变革的大幕，而虚拟化则是实现云计算的一个重要基础，也是走向云计算的途径之一。负载均衡（又称为负载分担），其意思是将负载（工作任务）进行平衡、分摊到多个操作单元上进行执行，例如Web服务器、FTP服务器、企业关键应用服务器和其它关键任务服务器等，从而共同完成工作任务。负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价又有效的方法扩展网络设备和服务器的带宽、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。负载均衡设备不是基础网络设备，而是一种性能优化设备。对于网络应用而言，并不是一开始就需要负载均衡，当网络应用的访问量不断增长，单个处理单元无法满足负载需求时，或网络应用流量将要出现瓶颈时，负载均衡才会起到作用。物理负载均衡服务器的功能是虚拟出一个统一的虚服务端口对外提供服务，然后把所有对于这个虚服务的请求平衡分担到后台真正的操作单元上。

目前已有技术的负载均衡设备虚拟化系统是在一台物理负载均衡硬件设备上运行一个虚拟平台或称虚拟控制程序，比如Vmware（虚拟机软件），Xen（开放源代码虚拟机监视器）等，然后在虚拟平台之上独立运行多个操作系统，每个操作系统及其上的应用层可以作为一台独立的虚拟负载均衡服务器对外提供服务。已有技术的基于虚拟平台虚拟负载均衡服务器的结构如图1所示，基于虚拟平台虚拟负载均衡服务器的网络拓扑如图2所示。已有技术的不足之处在于：虚拟的负载均衡设备性能受限于虚拟平台系统的性能，难以进行针对硬件的性能优化；系统的稳定性也受虚拟平台系统的影响，一般会弱于物理设备；虚拟平台上同时运行的独立系统的数量受物理设备的限制，每个独立的操作系统都有最低的资源要求，这样一台物理负载均衡服务设备能够提供的虚拟设备数量是相当有限的（一般都在10个以内）。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明的目的是提供一种实现高效便捷、易于管理的基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统。

本发明的另一目的是提供一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，用以提供具有服务性能和系统稳定性更高的虚拟负载均衡设备。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统，包括用户端、互联网、物理负载均衡服务器、路由设备、后台服务器等，其中在物理负载均衡服务器的硬件平台上安装一个操作系统，然后在所述系统的应用层创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块、两个或者两个以上的虚站点（Virtual Site，或称虚拟站点）及其虚站点路由选择模块。所述的应用层内的各个虚站点相互独立，一个虚站点就是一台虚拟负载均衡服务器，不同虚站点对外提供的虚服务（Virtual Service）不能重叠，每个虚服务仅属于一个虚站点。

所述的虚站点资源管理模块，至少包括虚站点性能管理模块、虚站点网络资源管理模块、用户管理模块和虚站点功能模块授权管理模块。用户管理模块是基于虚站点的管理模块，包括物理系统管理模块和每个虚站点内部管理模块。

本发明的实施方式同时提供了一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，它包括以下步骤：

步骤1，在一台物理负载均衡服务器中运行一个操作系统；

步骤2，在上述系统的应用层创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块、两个或者两个以上的虚站点及其虚站点路由选择模块，各个虚站点间相互独立，一个虚站点就是一台虚拟负载均衡服务器；

步骤3，虚站点资源管理配置；

步骤4，上述系统的负载均衡流量处理。

进一步地，步骤3所述的虚站点资源配置，包括虚站点性能配置、虚站点网络资源配置、用户管理和虚站点功能模块授权配置等。

进一步地，上述的网络资源配置包括服务协议类型、虚服务IP地址及服务协议端口对的组合配置。

进一步地，上述的用户管理配置，是基于虚站点的管理模块，包括物理系统管理和虚站点内部管理。

进一步地，上述步骤4所述系统的负载均衡流量处理包括以下分步骤：

步骤41，本系统收到数据包；

步骤42，查找数据包中虚服务对应的虚站点；

步骤43，选取后台服务；

步骤44，路由选择并发送数据。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

本发明中实现的多个虚拟负载均衡服务器是运行在一个硬件平台上的一个操作系统上，流量分配等应用功能由不同虚拟负载均衡器设备在应用层处理之后，最终的数据包转发等与功能性和稳定相关的核心功能都由统一的操作系统核心进行处理。这样各种基于硬件的性能优化仍然有效，多个虚拟负载均衡器的性能和稳定性都得到了充分的保障，不弱于物理负载均衡服务器，而且超过现有技术的虚拟负载均衡器。

同时因为应用层隔离可以仅仅隔离用户管理、虚站点网络资源和虚站点路由选择等应用模块，所需要的系统资源相当少，隔离的粒度也可以非常灵活。根据不同的应用场景和需求，可以一台物理负载均衡服务器仅仅虚拟为2-3台虚拟器设备，每台提供大量的应用服务资源和很高的性能；也可以一台物理负载均衡服务器虚拟为几十台、甚至上百台虚拟负载均衡服务器，每台虚拟负载均衡服务器只需要提供很少的应用服务资源和普通的性能。理论上说一台物理负载均衡服务器能够支持的最大虚站点个数是多少，也就能创建多少个虚拟负载均衡服务器。例如物理负载均衡服务器能支持4000个虚站点，理论上最多就可以创建4000个虚拟负载均衡服务器，当然一般没有必要这么细的粒度。另外，一台虚拟负载均衡服务器所能提供的应用服务资源可以在不中断服务的情况下进行调整。

再次对于网络地址的虚拟化粒度可以更细：对于现有技术的虚拟负载均衡服务器，不同的虚设备不能用同一个IP地址，否则会引起IP冲突；而本发明系统及方法，可以容许不同的设备使用同样的IP地址，但只要不同虚设备所提供的负载均衡虚服务内容不同（服务协议类型、虚服务IP地址及服务协议端口对的组合配置）即可。

附图说明

图1是已有技术基于虚拟平台的虚拟负载均衡服务器结构示意图；

图2是已有技术基于虚拟平台的虚拟负载均衡服务器的网络拓扑结构示意图；

图3是本发明基于应用层隔离的负载均衡服务器虚拟化系统结构示意图；

图4是本发明虚站点内部结构示意图；

图5是本发明基于应用层隔离的负载均衡器虚拟化系统网络拓扑结构示意图；

图6是本发明虚站点数据包处理流程示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

如图3及图5所示，本发明基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统包括物理负载均衡服务器1、用户端5、互联网6、后台服务器7等，其中在物理负载均衡服务器1的硬件平台上安装一个操作系统2，然后在所述系统的应用层3创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块4、两个或者两个以上的虚站点，例如虚站点31、32、33等，及其虚站点31、32的路由选择模块81、82等,其中给虚站点31配置了后台服务器71，给虚站点32配置了后台服务器72、73。所述的虚站点31、32和33等之间相互独立，一个虚站点31、32或33分别就是一台虚拟负载均衡服务器。各个虚站点提供的虚服务不能重叠，即每个虚服务仅属于一个虚站点。因为虚站点之间是隔离的，不同虚站点的虚服务名称是可以重复的，但是虚服务的内容（包括服务协议类型、虚服务IP地址及服务协议端口对的组合配置）不能重叠。虚站点31、32及33等是应用层次的虚拟化，而非系统层次的虚拟化。系统及物理网络配置对上述虚站点不可见，虚站点31、32及33等只进行自身的资源及路由选择配置。

如图4所示，所述的虚站点资源管理模块4，至少包括虚站点的性能管理模块41、虚站点网络资源管理模块42、用户管理模块43和虚站点功能模块授权管理模块44。每个虚站点拥有自己的一系列应用资源，系统在创建虚站点的同时设定，如有需要其后也可以进行修改。

上述系统虚站点资源管理模块4的具体配置及功能如下：

——虚站点性能管理模块41：即创建虚站点的最大性能限制：包括对系统内的每一个虚站点设置并发连接数、贷款、每秒请求数、每秒新建连接数等；

虚站点网络资源管理模块42：对每个虚站点可配置的虚服务和后台服务数量进行管理和限制，以及对可用作虚服务的网络资源进行配置，所述网络资源包括虚服务IP地址、虚服务协议端口、虚服务协议类型及后台服务器的IP地址等，所述网络资源配置即是服务协议类型、虚服务IP地址及服务协议端口对的组合配置。虚站点31、32、33等提供的虚服务不能重叠，每个虚服务仅属于一个虚站点，因而不同虚站点的网络资源不会重叠。一个虚站点可以包括多个网络资源，但是一个网络资源只能在一个虚站点中使用，例如一个虚站点中可以有多个TCP服务协议类型的“虚服务IP地址：虚服务端口”对；但一个TCP服务协议类型的“虚服务IP地址：虚服务端口”对，只能在一个虚站点中使用，不可能同时在多个虚站点使用；

用户管理模块43：一般可设二级权限管理，即物理系统的管理和每个虚站点的内部管理。所述二级权限管理可对应设置物理系统的管理员和虚站点的管理员，管理员又可进一步分为物理系统的超级管理员和操作员以及虚站点的超级管理员和操作员等角色。对于每个用户，可以担任一个或多个角色，每个角色可配置相应的权限，重要的是，每个角色的划分都是基于虚站点的。

上述物理系统的管理员，进一步分为超级管理员和操作员。超级管理员可以管理整个物理系统，包括管理物理系统的其他用户；可以创建/删除虚站点，包括缺省的物理系统超级管理员（root用户）和系统可配置的最多虚站点数量限制；同时必须为虚站点创建缺省的超级管理员，对于虚站点的内部配置，可以查看，但不能修改。物理系统的操作员可以管理整个物理系统，某些权限可能受限，具体由物理系统的超级管理员控制。

所述虚站点的管理员，进一步分为超级管理员和操作员。仅仅属于某一个虚站点，物理系统和其他虚站点对于本虚站点的超级管理员不可见。作为某虚站点的超级管理员，可以管理其整个虚站点，包括属于此虚站点的其他用户，可以为本虚站点创建其他管理员（包括超级管理员和操作员）。虚站点的操作员仅仅属于某一个虚站点，物理系统和其他虚站点对于本虚站点的操作员不可见。作为此虚站点的操作员，可以管理整个虚站点，具体权限由本虚站点的超级管理员控制，根据权限不同可以进行负载均衡服务的配置或者查看。对于虚站点的超级管理员或操作员，除了不能查看物理系统和网络的配置，其他负载均衡应用配置和物理设备完全相同。本虚站点定义的负载均衡应用配置仅仅在本虚站点内起作用。

上述不同虚站点对外提供的虚服务不能重叠，这一点可以通过物理系统管理员配置的虚站点的网络资源来限制。

上述所有的用户，包括物理系统和虚站点，名称不能重复。这样系统可以根据唯一的用户名称找到其对应的角色。

功能模块授权管理模块44：系统对每个虚站点进行独立的功能模块授权，以确定哪些功能模块可以在本站点中使用，每个虚站点支持的功能模块可以各不相同。如图4所示，虚站点31由功能模块授权管理模块44授权：负载均衡服务及HTTP压缩；虚站点32由功能模块授权管理模块44授权：负载均衡服务和HTTP压缩及SSL加速；…虚站点N由功能模块授权模块44授权：负载均衡服务及SSL加速等等。

本发明的实施方式同时提供了一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，它包括以下步骤：

步骤1，在一台物理负载均衡服务器中运行一个操作系统；

步骤2，在上述系统的应用层创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块、两个或者两个以上的虚站点及其虚站点路由选择模块，各个虚站点间相互独立，一个虚站点就是一台虚拟负载均衡服务器；其中，所述的实现应用层隔离的虚站点资源管理模块至少实现包括用户管理、虚站点网络资源管理和虚站点路由选择等与操作系统的隔离。

步骤3，虚站点资源管理配置，包括虚站点性能资源配置、虚站点网络资源配置、用户管理和虚站点功能模块授权配置。其中，

虚站点性能管理，也即是创建虚站点的最大性能限制：包括并发连接数、贷款、每秒请求数、每秒新建连接数等；

虚站点网络资源配置：包括服务协议类型、虚服务IP地址及服务协议端口对的组合配置；各个虚站点的虚服务不能重叠，每个虚服务仅属于一个虚站点；

用户管理配置：所述的用户管理配置是基于虚站点的，其配置可参考上述用户管理模块的配置，不再赘述；

虚站点功能模块授权管理配置：每个虚站点都有独立的功能模块授权，以确定哪些功能模块可以在本站点中使用，每个虚站点支持的功能模块可以各不相同。

步骤4，上述系统的负载均衡流量处理，包括以下分步骤：

步骤41，物理负载均衡服务器收到来自网络的数据包，操作系统将数据包传递给应用层；

步骤42，应用层首先查找数据包对应的虚服务，根据对应的虚服务，找到其所属的虚站点(因为各个虚站点的虚服务不能重叠，每个虚服务仅属于一个虚站点)；

步骤43，选取后台服务；根据虚站点的资源和配置，决定对该流量的处理方式，即正常地转发到某个后台服务或者扔掉（如果已经达到虚站点的限制），并且根据本虚站点的路由表进行路由选择；

步骤44，路由选择并发送数据,将需要转发的数据包和选择好的后台服务及路由规则传递给操作系统，由操作系统完成底层操作，进行转发。

现以某单位负载均衡项目为例，进一步说明本发明系统及方法的实施过程：

某单位选用物理负载均衡服务器：ArrayNetworks APV6250，该物理负载均衡服务器支持的最大虚站点个数为256，即最多可提供256个虚服务。此单位的负载均衡设备虚拟化系统的构建过程是：

参照图3和图4，一台ArrayNetworks APV6250设备与用户端、互联网、后台服务器等构成系统网络，其中在ArrayNetworks APV6250设备的硬件平台上安装一个操作系统，例如FreeBSD操作系统；然后在所述系统的应用层创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块、两个或者两个以上的虚站点，为简单起见，例如创建两个虚站点31和32，及其虚站点路由选择模块81、82等。所述的虚站点31和32相互独立，互不可见；虚站点31和32分别各是一台独立的虚拟负载均衡服务器。现假设虚站点31提供的虚服务为V1，虚站点32提供的虚服务为V2，即虚服务V1仅属于虚站点31，虚服务V2仅属于虚站点32，虚站点31和32对外提供的虚服务VI和V2的服务内容不能重叠。所述的虚站点资源管理模块4，用于本系统内虚站点的性能管理、虚站点网络资源管理、用户管理和虚站点功能模块授权管理等。

物理系统的超级管理员Admin登录，进行虚站点31和32的创建及虚站点资源管理配置：

虚站点31:

a.性能管理配置：配置并发连接数：10000；

b．虚站点网络资源管理配置：例如配置10个虚服务IP、可用IP地址为192.168.1.101-192.168.1.110；以及100个后台服务IP、可用IP地址段为192.168.2.0/24；

c．用户管理配置：例如配置该虚站点超级管理员：Mike；

d．功能模块授权配置：例如负载均衡及SSL加速。

虚站点31的超级管理员Mike登录，仅能查看和配置虚站点31，进行虚站点31的内部应用配置，例如配置虚服务V1、路由选择81等等。

虚站点32：

a.性能管理配置：例如，配置并发连接数：15000；

b.虚站点网络资源配置：例如虚服务IP不限制；100个后台服务IP,可用IP地址段为192.168.3.0/24；

c.用户管理配置：例如，配置该虚站点超级管理员：Tom；

d.功能模块授权配置：例如，负载均衡及HTTP压缩。

虚站点32的超级管理员Tom登录，仅能查看和配置虚站点32，进行虚站点32的内部应用配置，包括配置虚服务、路由选择等

虚站点31、32的超级管理员Mike和Tom陆续登录，分别进行虚站点31和32的内部资源配置：

虚站点31，超级管理员Mike登录：

配置一个虚服务V1：如：TCP 192.168.1.101 443，表示TCP（TransmissionControl Protocol传输控制协议）服务协议类型的“虚服务IP地址为192.168.1.101：服务协议端口为443”对的组合配置。

配置对应V1的后台服务R1：TCP 192.168.2.20 80，R2：TCP 192.168.2.21 80；

配置对应V1的SSL证书、密钥。

虚站点32的超级管理员Tom登录：

配置一个虚服务V2：如HTTP192.168.1.101 80；

配置对应V2的后台服务R1：HTTP 192.168.3.11 80，R2：HTTP192.168.3.1280；

配置虚服务V2的HTTP压缩功能。

然后，物理系统的管理员Admin登录，可以查看虚站点31和虚站点32的应用配置，但不能修改。

虚站点是应用层次的虚拟化，而非系统层次的虚拟化。系统及物理网络配置对虚站点不可见，虚站点只进行自身的资源及路由选择配置。

如图4所示，所述的虚站点资源管理模块4，至少包括虚站点的性能管理模块41、网络资源管理模块42、用户管理模块43和功能模块授权管理模块44。其中，用户管理模块是基于虚站点的管理模块，包括物理系统管理和每个虚站点内部管理。

虚站点的工作过程，如图6所示，

系统收到数据包，将数据包传递给应用层；

应用层查找数据包对应的虚服务，若查找失败，则结束本流程；

选取后台服务，若选取失败，则结束本流程；

路由选择并发送数据，此后结束本流程。

对虚站点31的虚服务V1的请求：

（1）物理负载均衡服务器1收到客户端5对于TCP 192.168.1.101 443的请求，查找虚服务，找到虚站点31的虚服务V1；

（2）根据虚站点31中的SSL配置，对请求进行SSL解密，

（3）根据虚站点31中的负载均衡配置，选择一个对应的后台服务R1：例如，TCP 192.168.2.20 80

（4）路由选择，将解密后的请求转发给虚站点31的R1 TCP192.168.2.20 80

（5）收到来自虚站点31的R1的回应，转发回客户端5。

对虚站点32的虚服务V2的请求：

（1）物理负载均衡服务器1收到客户端5对于HTTP192.168.1.101 80的请求，查找虚服务，找到虚站点32的虚服务V2

（2）根据虚站点32中的负载均衡配置，选择对应的后台服务R1：HTTP 192.168.3.11 80；

（3）路由选择，将请求转发给虚站点32的R1 HTTP 192.168.3.11 80

（4）收到来自虚站点32的R1的响应，根据虚站点32中的HTTP压缩配置，对响应包进行压缩；

（5）将压缩后的响应包转发回客户端5。

需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合是才解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统，包括用户端、互联网、物理负载均衡服务器、后台服务器等，其特征是在物理负载均衡服务器的硬件平台上安装一个操作系统，然后在所述系统的应用层创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块、两个或者两个以上的虚站点及其虚站点路由选择模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统，其特征在于，所述的各个虚站点间相互独立，一个虚站点就是一台虚拟负载均衡服务器。

3.根据权利要求1所述的一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统，其特征在于，所述的虚站点资源管理模块，至少包括虚站点性能管理模块、虚站点网络资源管理模块、用户管理模块和虚站点功能模块授权管理模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化系统，其特征在于，所述的用户管理模块包括物理系统管理模块和每个虚站点内部管理模块。

5.一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，它包括以下步骤：

步骤1，在一台物理负载均衡服务器中运行一个操作系统；

步骤2，在上述系统的应用层创建实现应用层隔离的虚站点资源管理模块、两个或者两个以上的虚站点以及虚站点路由选择模块，各个虚站点间相互独立，一个虚站点就是一台虚拟负载均衡服务器；

步骤3，虚站点资源管理配置；

步骤4，上述系统的负载均衡流量处理。

6.根据权利要求5所述的一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，其中，步骤3所述的虚站点资源配置，包括虚站点性能配置、虚站点网络资源配置、用户管理和虚站点功能模块授权配置。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，其中所述的虚站点网络资源配置包括服务协议类型、虚服务IP地址及服务协议端口对的组合配置。

8.根据权利要求5或6所述的一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，其中，所述的用户管理配置包括物理系统管理配置和每个虚站点内部管理配置。

9.根据权利要求5所述的一种基于应用层隔离的负载均衡设备虚拟化方法，其中步骤4所述上述系统的负载均衡流量处理包括以下分步骤：

步骤41，本系统收到数据包；

步骤42，查找数据包中虚服务对应的虚站点；

步骤43，选取后台服务；

步骤44，路由选择并发送数据。

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