陳 臣 高 軍

云計算環(huán)境下基于服務質量的數字圖書館負載均衡機制研究*

陳 臣 高 軍

云計算環(huán)境下，運行大規(guī)模并行任務容易造成數字圖書館服務系統(tǒng)負載不均衡和運營效率低下。為了實現(xiàn)云環(huán)境下虛擬資源的高效調度和滿足用戶對服務質量的需求，論文提出了一種云環(huán)境下基于服務質量的數字圖書館負載均衡機制，該機制能有效實現(xiàn)數字圖書館云計算系統(tǒng)中的負載均衡和保證具有較高的運營效率。

云計算服務質量數字圖書館負載均衡機制

0 引言

2012年12月24日，亞馬遜公司開發(fā)人員在維護位于美國東海岸的網絡服務彈性負載平衡系統(tǒng)（ELB）時，因意外刪除了云服務上流量分配系統(tǒng)的相關數據，造成亞馬遜云計算服務在圣誕夜中斷，導致Twitter、FoureSquare、Reddit等多家公司業(yè)務受到了不同程度的影響。因此，云服務商的彈性負載平衡能力和服務可持續(xù)性，對圖書館云服務有效性和讀者滿意度有較大影響。

隨著讀者云閱讀模式的轉變與服務要求的提高，云圖書館數據中心服務負載量呈現(xiàn)級數激增趨勢。在保證讀者云閱讀QOS需求的前提下，如何通過高效的負載均衡策略，均衡云圖書館服務器負載量、優(yōu)化網絡拓撲結構和增強數據處理能力，以及提高云圖書館對讀者大量并發(fā)訪問服務的處理能力和效率，是保證圖書館云服務安全、高效、經濟、靈活與可擴展的前提，同時也是提高云服務讀者滿意度和增強市場競爭力的關鍵[1]。

1 云圖書館負載均衡存在的問題與需求

1.1 提高數據中心硬件設備的服務支撐能力

云計算環(huán)境下，圖書館云服務模式和運營方式將隨著讀者云個性化閱讀需求的發(fā)展而轉變。此外，圖書館云數據中心的服務負載和數據流量將呈現(xiàn)快速增長模式，其服務內容與服務模式復雜化將是圖書館云服務發(fā)展的另一個趨勢。因此，必須通過有效的負載均衡策略，為不同云平臺和云服務模式提供所需的負載均衡保障。在均衡云圖書館數據庫、HTTP、應用與服務管理系統(tǒng)、電子郵件、博客、安全系統(tǒng)、代理服務器等硬件設備負載前提下，還應保證均衡方案具有較高的容錯性和可用性[2]。

因為采用科學的負載均衡策略來降低對數據中心硬件設備性能要求，減少對硬件設備功能擴展和服務成本投入的需求，是云圖書館高效、經濟運營的前提。其次，云圖書館在服務過程中的能源消耗，是決定云圖書館服務效率與成本投入的關鍵。如何依據云圖書館年度和每日服務負載量的周期變化規(guī)律，通過負載整合技術，在數據中心全局實現(xiàn)服務器空閑節(jié)點的休眠和能耗優(yōu)化管理，是減少硬件設備服務成本的重要因素。第三，讀者要求圖書館云閱讀服務具有靈活性、可靠性、經濟性和可擴展性。

1.2 確保云個性化服務具有較高可用性

云圖書館讀者個性化服務的可用性，是判定圖書館云服務有效性和質量的關鍵因素。首先，云圖書館應通過負載均衡技術對服務器的TCP連結進行優(yōu)化，按照用戶權限和TCP連結重要性，對服務器的TCP連結進行優(yōu)先級判定，并通過減少服務器不必要的TCP連結來提高服務器反應速度。其次，負載均衡策略可在云數據中心全局范圍動態(tài)均衡服務器的負載，并提升云數據中心服務器整體云個性化閱讀服務能力。避免當出現(xiàn)大量突發(fā)連接請求時，因服務器自身性能不足而產生服務瓶頸。第三，利用負載均衡策略保證云個性化服務具有較高的安全性。當數據中心服務負載激增或服務器發(fā)生故障時，應通過可靠的負載均衡策略，實現(xiàn)數據中心服務器之間的動態(tài)負載分擔和負載遷移。此外，管理員可根據讀者云閱讀服務安全需求，對所均衡、分流的可疑負載數據流進行檢測，并為云服務系統(tǒng)定制個性化的安全管理策略[3]。

1.3 云圖書館負載均衡可管理的需求

為了保證云圖書館負載均衡過程安全、高效、可控和易操作，應重點加強負載均衡管理方式的科學性和步驟的有效性建設。

首先，云計算環(huán)境下，可根據云基礎設施的結構特點、設備運營方式和讀者云服務模式，采用軟件或硬件實現(xiàn)負載均衡。因此，軟件負載均衡管理系統(tǒng)是否易于安裝、配置和維護，能否實現(xiàn)對負載均衡過程的完全監(jiān)控，是軟件負載均衡管理應考慮的問題。同時，對于負載均衡硬件管理的方式，應重點關注負載均衡硬件設備命令行接口對設備的配置和管理效率，圖形用戶接口的用戶使用友好性，以及負載均衡硬件設備是否支持SNMP（簡單網絡管理協(xié)議）等。其次，為了減少云圖書館服務響應和數據傳輸時延，在云數據中心服務負載和硬件設備均衡管理過程中，須堅持就近管理和先近后遠的原則，應確保負載均衡管理過程的安全性和有效性，實現(xiàn)管理系統(tǒng)和被管理設備所處的地理位置無關。第三，應加強對云服務有效性和讀者云閱讀滿意度關鍵節(jié)點的負載均衡和監(jiān)控，避免關鍵部位發(fā)生單點失效現(xiàn)象[4]。

1.4 實現(xiàn)云圖書館QoS與云資源利用率的最優(yōu)配置

QOS是判定云圖書館用戶服務能力與讀者云閱讀滿意度的重要指標。云圖書館在讀者服務過程中，如果過分追求QOS指標而忽略服務過程中云資源的消耗和利用效率，將會導致服務效率下降和運營成本激增。

因此，云圖書館在服務負載均衡過程中，首先，在保證讀者云個性化服務QOS的前提下，應重點關注負載均衡在云圖書館服務能力和運營經濟性方面帶來的收益。其次，云圖書館在用戶服務過程中，當關鍵服務節(jié)點發(fā)生任務超載情況時，應將超載任務轉移給其它閑置節(jié)點處理，保證負載遷移和虛擬機調度過程占用較少的系統(tǒng)資源。第三，云圖書館QOS與云資源利用率最優(yōu)配置策略的制定，應結合云圖書館數據中心資源總量和已使用量、用戶SLA（服務品質協(xié)議）需要、負載均衡策略對服務質量的影響、負載均衡策略有效性等因素，防止負載均衡策略在執(zhí)行過程中給系統(tǒng)帶來額外的負擔[5]。

2 云圖書館負載均衡流程與策略設計

2.1 云圖書館負載均衡與虛擬機調度流程設計

為了增強讀者云服務能力和提高用戶云個性化閱讀質量，云圖書館通常會在全球不同的地域建設若干個云數據中心，并結合每年不同季度和每日不同時間服務負載量變化特點，在云數據中心全局層面進行云服務負載均衡與虛擬機調度。

依據服務節(jié)點云服務負載數量，可將云圖書館服務負載劃分為正常負載、輕度過載和重度過載三種狀態(tài)。結合服務負載實際和讀者云閱讀QOS需求，本文設計的云圖書館負載均衡與虛擬機調度流程如圖1所示。

圖1 云圖書館服務負載均衡與虛擬機調度流程

首先，當云圖書館檢測、接收到來自讀者的云服務和云資源分配請求后，云圖書館將負載總量發(fā)送至負載管理與監(jiān)控系統(tǒng)，對負載進行正常范圍、輕度過載和重度過載三種狀態(tài)的判定。其次，根據判定結果向虛擬機調度與負載均衡系統(tǒng)，發(fā)送服務負載均衡與虛擬機資源分配請求。同時，進行虛擬機資源調度與負載均衡需求評估，并制定相應的負載均衡策略，在云數據中心全局范圍內進行負載均衡。第三個步驟則是將均衡后的負載狀態(tài)變化情況發(fā)送到負載管理與監(jiān)控系統(tǒng)，進行負載均衡有效性的判定。如果負載均衡有效性判定結果為輕度過載或者重度過載，則將均衡后服務負載的狀態(tài)發(fā)送至虛擬機調度與負載均衡系統(tǒng)，進行負載的二次均衡評估。依據評估結果制定科學的負載二次均衡策略，并在數據中心全局范圍內進行均衡，直到服務負載達到正常標準[6]。

2.2 云圖書館服務負載均衡策略設計

2.2.1 選擇正確的負載均衡模式

云圖書館服務負載分布于云數據中心全局范圍，具有數據量大、突發(fā)性強、不易均衡和關系云服務有效性的特點。因此，應根據云圖書館位于全球不同地域的數據中心負載分布、產生特點，以及讀者云服務需求和云圖書館運營效率，采取硬件和軟件均衡相結合的方式，在云圖書館數據中心全局范圍實現(xiàn)負載均衡。

對于讀者群數量少、負載輕、無突發(fā)性負載的小規(guī)模云數據中心系統(tǒng)，應采取具有較少建設成本和較高均衡效率的基于軟件負載均衡模式，實現(xiàn)云圖書館負載均衡成本投入和有效性的最優(yōu)化配置。而對于規(guī)模龐大、服務負載總量多、負載產生突發(fā)性強和服務質量要求高的云圖書館，則應采取硬件均衡和軟件均衡相結合的原則。在全局范圍內，對位于不同地域的數據中心服務器和外部網絡節(jié)點安裝硬件負載均衡設備，并對網絡傳輸負載和服務負載進行自動、智能化的流量和負載均衡管理。管理員在研發(fā)、購買負載均衡管理系統(tǒng)時，應注重管理系統(tǒng)對云服務負載數據的采集、統(tǒng)計、分析和預測能力。確保在數據處理、存儲和分析過程中，具有較高的智能、自動化水平。云圖書館負載均衡模式的選擇，應符合云服務負載未來的發(fā)展趨勢，滿足云圖書館網絡系統(tǒng)、數據中心服務能力、讀者云閱讀的需求，確保均衡模式易于控制、管理、操作和擴展，可實現(xiàn)負載均衡模式的個性化定制和選擇[7]。

2.2.2 采取先本地后全局的負載均衡策略

云圖書館在數據中心設計、建設中，會根據云數據中心服務系統(tǒng)負載總量、讀者云個性化服務要求、服務負載變化規(guī)律和云資源需求，以向云服務商租賃云基礎設施資源的方式建設云圖書館，為讀者提供云個性化閱讀服務。因此，如何在全局層面合理規(guī)劃、部署云數據中心，實現(xiàn)云服務負載的有效均衡，是確保云資源租賃投資高效和讀者個性化服務收益最優(yōu)配置的關鍵。

首先，在云圖書館數據中心所處地域選擇上，應結合云服務商服務接入點位置、讀者群分布與閱讀需求特點、服務數據傳輸網絡性能和服務成本組成等，堅持服務負載與網絡傳輸負載均衡的原則，在全球范圍合理部署云圖書館數據中心，確保服務網絡拓撲結構安全、科學、高效、經濟。其次，云圖書館負載均衡過程應堅持先本地后全局的原則，在較少的設備與管理成本投入，以及不改變數據中心系統(tǒng)與網絡拓撲結構的前提下，高效、快速地將服務與網絡傳輸負載在本地區(qū)域內實現(xiàn)服務器集群負載均衡。而對于個別突發(fā)服務負載量較大的數據中心，則堅持就近均衡的原則，將服務負載遷移至相鄰云數據中心。第三，在全局負載均衡過程中，應保證負載遷移與地理位置無關性，可為用戶提供遠距離的透明負載均衡服務[8]。

2.2.3 云圖書館網絡系統(tǒng)的負載均衡

云計算環(huán)境下，隨著圖書館云服務模式和服務內容的轉變，數據中心區(qū)域網絡和用戶數據傳輸網絡的數據流量將不斷增大。云圖書館網絡系統(tǒng)負載均衡的有效性、靈活性和可靠性，成為決定讀者云服務數據傳輸效率和服務性能的關鍵因素。因此，必須對云圖書館網絡系統(tǒng)進行有效的負載均衡，不斷提高云圖書館讀者服務網絡的數據傳輸與用戶服務能力。

制定并執(zhí)行有效的負載均衡策略，是實現(xiàn)云圖書館網絡系統(tǒng)多個服務器、交換設備和數據傳輸鏈路聚合管理，提高網絡系統(tǒng)負載均衡有效性的前提。云圖書館網絡系統(tǒng)具有拓撲結構復雜、不同服務器集群網絡傳輸性能差異大、網絡交換節(jié)點易產生傳輸瓶頸和虛擬化網絡管理難度大的特點。因此，首先可針對不同服務器集群特點，制定個性化的網絡負載均衡策略，保證所有服務器集群網絡內部傳輸負載均衡。此外，應將所有單一服務器集群網絡集合成一個大的網絡系統(tǒng)，并在全局角度執(zhí)行混合型負載均衡策略，保證系統(tǒng)網絡全局數據傳輸高效、均衡。其次，網絡系統(tǒng)對服務器數據分發(fā)的科學性和效率，也是決定服務質量的關鍵因素?？筛鶕諗祿D書館云服務性能和讀者云閱讀活動滿意度的影響程度，以及服務器自身的數據處理能力，為服務器設置不同的數據傳輸優(yōu)先權重。并按照服務器權重值大小和排隊的原則，實現(xiàn)網絡數據傳輸和服務器運行負載均衡。第三，應建設高效的網絡傳輸負載監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)網絡系統(tǒng)負載監(jiān)控、管理、反饋和控制[9]。

2.2.4 實現(xiàn)準確的負載狀態(tài)檢測和均衡反饋控制

及時、準確地進行負載狀態(tài)檢測和均衡反饋控制，是圖書館精確判斷云服務負載狀況，和根據負載實際制定、執(zhí)行高效均衡策略的前提。也是實現(xiàn)數據中心服務器負載信息快速判定和節(jié)點負載均衡，保證云閱讀服務安全、高效、經濟、可控的關鍵。

在對圖書館云數據中心服務器系統(tǒng)、網絡傳輸系統(tǒng)和運營管理系統(tǒng)的負載水平評估中，應重點考慮硬件設備CPU利用率、CPU任務等待隊列長度、內存大小和已使用量比例、可用存儲磁盤空間、I/O傳輸效率、網絡傳輸效率和負載量、用戶云閱讀滿意度等因素。并在云數據中心全局層面上關注不同節(jié)點在負載處理能力上的差異，依據各子指標對云圖書館綜合服務能力和讀者云閱讀活動滿意度的影響力，賦予不同的權重因子。

云圖書館負載均衡過程中，應堅持均衡過程高效、快速、經濟和準確的原則。在云數據中心全局層面采用加權輪詢的策略，負載均衡過程中應堅持讀者服務第一的原則，優(yōu)先關注對云圖書館服務有效性、可靠性、讀者云閱讀愉悅感、可持續(xù)發(fā)展影響較大的服務器集群和設備，按照服務器集群實際負載量和處理能力進行負載均衡和云資源分配，保證云圖書館整體運營高效、安全。而對于服務器集群內部設備的負載均衡，應采用服務負載量最輕的策略，優(yōu)先把請求分發(fā)到負載量最輕的服務器，并對各服務器運行過程的負載量進行監(jiān)控，通過負載量反饋數據實現(xiàn)動態(tài)均衡。

3 結語

隨著圖書館云服務模式的不斷變革和讀者云閱讀需求的提高，云數據中心服務負載量在云服務中將會呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，要求云圖書館具有超級計算、海量存儲、高效傳輸和經濟低碳的特點。然而，以往通過購買硬件設備、增加網絡帶寬、限制讀者需求和降低服務標準的方式來解決服務負載激增問題，將會導致云圖書館建設與運營成本上升，以及用戶服務質量和滿意度下降。因此，只有將云圖書館服務負載實際和讀者需求相結合，立足云數據中心運營能力制定科學、高效、經濟、易控的負載均衡策略，才能保證云數據中心安全、高效、經濟、均衡，才能為讀者提供滿意的云個性化閱讀服務[10]。

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[2]宋銀，康慕寧，魏馳.基于云計算的作業(yè)管理系統(tǒng)CJMS的負載均衡的研究[J].計算機測量與控制，2013（2）：467-469.

[3]宋昕，宋歡歡．云計算環(huán)境下的流量控制和負載均衡策略[J].電子工程與設計，2011（6）：112-115.

[4]程春玲，張登銀，徐玉，等.一種面向云計算的分態(tài)式自適應負載均衡策略[J].南京郵電大學學報：自然科學版，2012（4）：53-58.

[5]姚婧，何聚厚．基于模糊聚類分析的云計算負載平衡策略[J].計算機應用，2012（1）：213-217.

[6]劉萬軍，張孟華，郭文越．基于MPSO算法的云計算資源調度策略[J].計算機工程，2011（11）：43-48.

[7]朱曉敏，陸佩忠．異構集群系統(tǒng)中安全關鍵實時應用調度研究[J].計算機學報，2010（12）：2364-2377．

[8]喬付，張國印，何鳴.信任機制與計算性能網格任務調度策略[J]，計算機工程與應用，2010（3）：72-75.

[9]段趙磊，古志民.一種自適應的網絡代理集群負載均衡策略[J]，計算機工程，2010（1）：97-101.

[10]張興旺，李晨暉，秦曉珠.基于云計算的數字化信息資源建設模型的研究[J].情報理論與實踐，2011（8）：100-105.

陳臣蘭州商學院副教授。甘肅蘭州，730020。

高軍蘭州商學院網絡中心工程師。甘肅蘭州，730020。

Load-Balancing Mechanism for Digital Library Based on QOS under the Cloud Computing Environment

Chen Chen，Gao Jun

Large parallel tasksmay cause the load unbalanced and inefficient for the service system of digital library under the cloud computing environment.In order to realize the efficient scheduling of virtual resource under the cloud computing environment and meet the users'needs to QOS（Quality of Service）,this paper proposes a load-balancingmechanism for digital library based on QoSunder the cloud environment,which can ensure the load balancing and efficient performance in the cloud computing systems of digital libraries.

Cloud computing.QOS.Digital library.Load-balancingmechanism.

G250.76

2013-06-20 編校：劉勇定）

*本文系2012年教育部人文社會科學青年基金項目“云計算環(huán)境下數字圖書館云服務信息化平臺架構策略與用戶服務模式研究”（項目編號：12YJC870019）的研究成果。