Web集群负载均衡算法比较

现代计算机（总第二四一期ＩＴ论坛引言随着网络技术的发展和计算机的普及，大量的应用都围绕着网络进行，这就促使Ｉｎｔｅｒｎｅｔ用户数和流量爆炸式地增长，网络的规模正在呈指数级增长。

并发访问的人数越来越多，造成Ｗｅｂ服务器的负荷加重直至崩溃，如何解决服务器的高负荷问题已经是无法回避的问题了。

通过单纯提升处理器等服务器硬件性能来提高服务器的负载能力是比较直接的解决方法，但会导致巨大的开销。

服务器硬件是相当昂贵的，而且也无法保护原有设备上的投资，这对于中小型企业来说不堪重负。

还有一种解决思路是集群思想，使用多台服务器组成集群提供服务，通过一定机制使他们共同分担系统负载，对单一的服务器没有太高的性能要求，系统负载增加，可以多增加服务器来分担。

对用户而言，整个系统仿佛是一台单一的逻辑服务器，这样的系统能够提供较强的可扩展性和较好的吞吐性能。

“ＬｉｎｕｘＶｉｒｔｕａｌＳｅｒｖｅｒ”是我国章文嵩博士发起的自由软件项目，它提供了三种ＩＰ负载均衡技术和八种负载调度算法，可以实现高可伸缩的、高可用的Ｗｅｂ，ＦＴＰ，Ｍａｉｌ和Ｍｅｄｉａ等网络服务。

ＬＵＳ集群采用ＩＰ负载均衡技术和基于内容请求分发技术。

其中的调度器相当于具有一定规则的路由器，将请求均衡地转发到不同的服务器上执行，而且调度器自动屏蔽掉服务器的故障，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。

整个服务器集群的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。

系统的结构如图１所示［１］。

图１ＬＶＳ系统结构图１ＬＶＳ的负载均衡算法分析均衡算法类似于路由选择策略，依据某种调度策略，将请求服务的ＩＰ包转发给某台服务器，以实现负载均衡。

均衡算法的性能直接决定了负载均衡系统的性能，所以说均衡算法是负载均衡系统的关键。

针对不同的网络服务需求和服务器配置，ＬＶＳ提供了下列八种负载调度算法［２］。

（１）轮叫调度算法（Ｒｏｕｎｄ－ＲｏｂｉｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）该算法以轮叫的方式依次将请求调度到不同的服务器，即每次调度从第１台服务器至第Ｎ台然后再从头开始。

算法的优点是其简洁性，无需记录当前所有连接的状态及各节点当前的负载情况，是一种无状态调度。

该算法适合于服务器组中的所有服务器具有相同的软硬件配置，并且平均服务请求相对均衡的情况。

如果集群中节点机处理性能不一，任务将会在权值小的节点处堆积，处理能力强的节点不能得到充Web 集群负载均衡算法比较邱钊１，２，陈明锐２（１．重庆大学经济与工商管理学院，重庆４０００４４；２．海南大学信息学院，海口５７０２２８）摘要：随着互联网应用的普及，对Ｗｅｂ服务器的性能要求越来越高。

采用多台主机组成集群统一对外提供Ｗｅｂ服务，是目前比较流行的高性价比、高可靠性、可伸缩性的方案，而集群系统的性能关键在于均衡算法。

本文基于ＬＶＳ项目，分析并通过实验比较了各种均衡算法的性能，对构建Ｗｅｂ集群系统具有较大的指导意义。

关键词：负载均衡；ＬＶＳ；集群；均衡算法ＩＴ论坛现代计算机（总第二四一期分利用。

而且当请求服务时间变化比较大时，轮叫调度算法也会导致服务器间的负载不平衡。

（２）加权轮叫调度算法（ＷｅｉｇｈｔｅｄＲｏｕｎｄ－ＲｏｂｉｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）该算法是上述轮叫算法的改进，以克服当集群中节点机性能不一时造成的负载不平衡的问题。

该算法采用相应的权值表示服务器的不同处理性能，服务器的缺省权值为１。

如果服务器Ａ的权值为１，Ｂ的权值为２，则表示服务器Ｂ的处理性能是Ａ的两倍。

加权轮叫调度算法是按权值的高低和轮叫方式分配请求到各服务器。

权值高的服务器先收到连接，而且比权值低的服务器处理更多的连接，相同权值的服务器处理相同数目的连接数。

它依据下列公式分配请求：分配给服务器１的请求数服务器１的权值＝……分配给服务器Ｎ的请求数服务器Ｎ的权值加权轮叫调度算法简单高效，考虑了不同服务器的处理性能差异，但当请求服务时间变化大时，单独的加权轮叫调度算法可能会导致服务器间负载不平衡。

而且加权轮叫调度算法仍然是无状态的调度算法［３］。

（３）最小连接数调度算法（Ｌｅａｓｔ－ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）该算法依据均衡器端保存的各台服务器已建立并且尚活跃的连接数记录，把新的连接请求分配到当前这一记录的连接数最小的服务器。

该算法是一种状态调度算法，它通过服务器当前记录的活跃连接数来估计服务器的负载情况。

均衡器需要记录各个服务器已建立并且活跃的连接数目，当一个请求被调度到某台服务器，其连接数加１；当连接中止或超时，其连接数减１；当超过预设时间没有收到来自同一用户（依据源ＩＰ地址）同一进程发起的请求，则判断该连接死亡，其对应的服务器的连接数减１。

当各个服务器有相同的处理性能时，最小连接数调度算法能把负载变化大的请求平滑分布到各个服务器上，所有处理时间比较长的请求不可能被发送到同一台服务器上。

但是，当各个服务器的处理能力不同时，该算法也并不理想，因为ＴＣＰ连接处理请求后会进入ＴＩＭＥ＿ＷＡＩＴ状态，ＴＣＰ的ＴＩＭＥ＿ＷＡＩＴ一般为２分钟，此时连接还占用服务器的资源，所以会出现性能高的服务器已处理所收到的连接，连接处于ＴＩＭＥ＿ＷＡＩＴ状态，而性能低的服务器己经忙于处理所收到的连接，还不断地收到新的连接请求。

（４）加权最小连接数调度算法（ＷｅｉｇｈｔｅｄＬｅａｓｔ－ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）与加权轮叫调度算法相当，该算法是最小连接数调度算法的改进，以克服当集群中节点机性能不一时造成的负载不平衡的问题。

同样，各个服务器用相应的权值表示其处理性能，服务器的缺省权值为１，管理员可以根据各节点配置动态地设置服务器的权值。

该算法在调度新连接时尽可能使服务器的己建立连接数和其权值成比例。

即：服务器１的连接数服务器１的权值＝服务器２的连接数服务器２的权值＝……服务器Ｎ的连接数服务器Ｎ的权值该算法通过设置权值来反映客观存在的服务器实际性能差异，但判断服务器的负载依据不能仅仅是请求的连接数，在某些时候，如服务、ＣＰＵ、流量等也可能是负载的依据，而且在实际中对权值很难设置，只能靠经验值大概估计，将带来较大的误差［４］。

（５）基于局部性的最少连接数算法（Ｌｏｃａｌｉｔｙ－ｂａｓｅｄＬｅａｓｔＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）该算法是针对请求报文的目标ＩＰ地址的负载均衡调度，目前主要用于Ｃａｃｈｅ集群系统，因为在Ｃａｃｈｅ集群中客户请求报文的目标ＩＰ地址是变化的。

假设任何后端服务器都可以处理任一请求，算法的设计目标是在服务器的负载基本平衡情况下，将相同目标ＩＰ地址的请求调度到同一台服务器，来提高各台服务器的访问局部性和主存Ｃａｃｈｅ命中率，从而提高整个集群系统的处理能力。

该算法先根据请求的目标ＩＰ地址找出该目标ＩＰ地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器不存在，或者该服务器超载且系统有服务器处于其一半的工作负载，则用“最少链接”的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器［５］。

（６）带复制的基于局部性最少连接数调度算法（Ｌｏｃａｌｉｔｙ－ｂａｓｅｄＬｅａｓｔＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈＲｅｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）该算法也是针对目标ＩＰ地址的负载均衡，主要用于Ｃａｃｈｅ集群系统，它与上述算法的不同之处是它要维护从一个目标ＩＰ地址到一组服务器的映射，而基于局部性的最少连接数算法维护从一个目标ＩＰ地址到一台服务器的映射。

该算法先根据请求的目标ＩＰ地址找出该目标ＩＰ地址对应的服务器组，再按“最现代计算机（总第二四一期ＩＴ论坛小连接”原则从该服务器组中选出一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器超载，则按“最小连接”原则从整个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器。

（７）目标地址散列调度算法（ＤｅｓｔｉｎａｔｉｏｎＨａｓｈｉｎｇＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）该算法也是针对目标ＩＰ地址的负载均衡，是一种静态映射算法。

通过一个散列函数（Ｈａｓｈｉｎｇ）将一个目标ＩＰ地址映射到一台服务器，它先根据请求的目标ＩＰ地址作为散列键（ＨａｓｈＫｅｙ），从静态分配的散列表中找出对应的服务器，如果该服务器是可用的，且未超载，将请求发到该服务器，否则返回空。

（８）源地址散列调度算法（ＳｏｕｒｃｅＨａｓｈｉｎｇＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）算法正好与目标地址散列调度算法相反，它根据请求的源ＩＰ地址，作为散列键（ＨａｓｈＫｅｙ）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。

它采用的散列函数与目标地址散列调度算法相同，算法描述与目标地址散列调度算法的基本相似，除了将请求的目标ＩＰ地址换成请求的源ＩＰ地址。

上述８种调度算法中，后四种算法一般用于Ｃａｃｈｅ集群，而Ｗｅｂ服务器负载均衡，最常用的是前四种调度算法。

因为本文所建立的是Ｗｅｂ集群，所以下面的实验只涉及前四种算法。

２均衡算法性能比较测试环境使用３台Ｐ４３ＧＣＰＵ、２Ｇ内存的普通ＰＣ机和２台惠普ＬＨ６０００（配置：４个至强ＣＰＵ７００Ｍ，内存３Ｇ）组成Ｗｅｂ服务器集群，集群的负载均衡器使用配置相同的普通ＰＣ机。

网络互联采用１０００Ｍ交换机，操作系统为ＬｉｎｕｘＲｅｄｈａｔＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅＡｄｖａｎｃｅＳｅｒｖｅｒ４．０（内核２．６．１０），Ｗｅｂ服务器为Ａｐａｃｈｅ，测试软件为ＬｏａｄＲｕｎｎｅｒ。

系统组成拓朴图如图２所示。

“ＨｉｔｓｐｅｒＳｅｃｏｎｄ”指标测试的是Ｗｅｂ服务器每秒所能处理的最大点击数，比较能说明Ｗｅｂ服务器的真正实力。

分别测试四种不同的均衡调度算法在同一Ｗｅｂ集群下的性能指标，采用ＬｏａｄＲｕｎｎｅｒ在１０台客户端模拟５０００用户不断点击５分钟，以得到集群可处理的每秒最大点击数，如图３所示。

图３均衡调度算法性能比较图从图３可以得出在Ｗｅｂ集群应用的四种均衡调度算法中，最小连接数算法性能优于轮叫算法，因为前者是动态算法而后者是静态算法，前者相对于后者更能反映出服务器的真实负载情况；还可以得出，加权策略优于不加权策略，因为前者能够平衡集群中性能不一的服务器处理能力的差异。

结语本文针对目前比较流行的构建Ｗｅｂ集群的ＬＶＳ系统，分析其提供的８种均衡调度算法，并通过实验比较了其中适于在Ｗｅｂ集群中应用的四种均衡调度算法性能。

本文对于采用ＬＶＳ技术构建Ｗｅｂ集群的方案具有比较大的指导意义。

参考文献［１］ＴｈｅＬｉｎｕｘＶｉｒｔｕａｌＳｅｒｖｅｒＰｒｏｊｅｃｔ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｉｎｕｘｖｉｒｔｕ－ａｌｓｅｒｖｅｒ．ｏｒｇ［２］章文嵩，吴泉源．可伸缩网络服务的Ｌｉｎｕｘ集群．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｃｗ．ｃｏｍ．ｃｎ，２００２［３］王晋鹏，潘龙法等．ＬＶＳ集群中的动态反馈调度算法．计算机工程，２００５（１９）［４］王霜，修保新等．Ｗｅｂ服务器集群的负载均衡算法研究．计算机工程与应用，２００４（２５）［５］李双庆，古平等．Ｗｅｂ集群系统负载均衡策略分析与研究．计算机工程与应用，２００２（１９）（收稿日期：２００６－０４－２９）（英文摘要见第９０页）图２集群系统组成图实践与经验现代计算机（总第二四一期The Migration of uC/OS-IIbased on ARM ProcessorＪＩＡＮＧＬｉ－ｊｕｎ１，ＣＨＥＮＱｉｎｇ－ｒｏｎｇ２（１．ＣｏｍｐｕｔｅｒＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００７１Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｍｐｕｔｅｒＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｘｉ＇ａｎＳｈｉｙｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００６５Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｒａｃｔ：ＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｂａｓｅｄｏｎＡＲＭａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｈａｓｉｎｈｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓ．ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｍａｋｅａｂｉｇｈａｒｄｗａｒｅｓｕｐｐｏｒｔｔｈａｔｗｅｍｉｇｒａｔｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｕｃｈａｓｕＣ／ＯＳ－ＩＩ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｍａｋｅｓａｓｉｍｐｌｅｄｉｓｃｕｓｓｏｎｈｏｗｔｏｍｉｇｒａｔｅｔｈｅｕＣ／ＯＳ－ＩＩｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｎｔｈｅＡＲＭｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｇｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ；ｕＣ／ＯＳ－ＩＩｏｓ；ＡＲＭＰｒｏｃｅｓｓｏｒ函数。