張蕾，侯瑞春，丁香乾

（中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266000）

會(huì)話保持機(jī)制在集群系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

張蕾，侯瑞春，丁香乾

（中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266000）

用戶會(huì)話信息一致性是影響集群負(fù)載均衡的一個(gè)重要因素。在研究當(dāng)前負(fù)載均衡集群系統(tǒng)中會(huì)話保持機(jī)制的基礎(chǔ)上，針對(duì)會(huì)話復(fù)制方法中隨著請(qǐng)求增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題，提出一種添加了動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)設(shè)備的會(huì)話復(fù)制機(jī)制。經(jīng)模擬驗(yàn)證，該方法在較大規(guī)模集群環(huán)境下穩(wěn)定響應(yīng)多用戶請(qǐng)求，平均響應(yīng)時(shí)間仍處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，滿足大型企業(yè)級(jí)應(yīng)用的會(huì)話處理需要。

集群；負(fù)載均衡；會(huì)話保持機(jī)制；會(huì)話復(fù)制

1 研究綜述

1.1 負(fù)載均衡技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)器性能成為影響大型應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。Web服務(wù)器集群是通過高速局域網(wǎng)互連的多臺(tái)Web服務(wù)器組成的，用戶的HTTP請(qǐng)求被均衡地、透明地分配到集群中具體的服務(wù)器上，由其完成請(qǐng)求響應(yīng)過程，并將響應(yīng)結(jié)果返回給用戶[1]。在性能、可靠性、靈活性方面，服務(wù)器集群比直接升級(jí)單臺(tái)服務(wù)器有相對(duì)較高的效益。

集群服務(wù)器的一個(gè)重要技術(shù)是集群內(nèi)部用戶請(qǐng)求的均衡分配——負(fù)載均衡。負(fù)載均衡技術(shù)能夠根據(jù)各個(gè)服務(wù)器處理能力，合理地給各個(gè)服務(wù)器分配相應(yīng)的請(qǐng)求任務(wù)，均衡分配任務(wù)的過程對(duì)用戶來說是完全透明的[2]。

1.2 負(fù)載均衡下的會(huì)話保持機(jī)制

目前，HTTP協(xié)議[3]是Web應(yīng)用中使用最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議，采用分布式協(xié)作的方式和請(qǐng)求/響應(yīng)模式的無狀態(tài)協(xié)議。Web應(yīng)用不保存與任何客戶機(jī)通信的狀態(tài)，只負(fù)責(zé)對(duì)到來的當(dāng)前請(qǐng)求進(jìn)行處理，因此需要一定的機(jī)制保持會(huì)話。對(duì)于負(fù)載均衡集群，應(yīng)該保證無論請(qǐng)求被分配到哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的會(huì)話信息應(yīng)該相同，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息一致。

會(huì)話保持機(jī)制主要實(shí)現(xiàn)方式分為Cookie機(jī)制和會(huì)話機(jī)制。Cookie機(jī)制將用戶信息存放在客戶瀏覽器中，隨著用戶發(fā)送的請(qǐng)求一起傳遞給服務(wù)器。因受到請(qǐng)求大小的限制和安全問題，它不適合存放敏感性的用戶信息。因此，在會(huì)話保持機(jī)制中，Session機(jī)制很常用，它通過將整個(gè)用戶會(huì)話過程中保持其狀態(tài)的信息存儲(chǔ)在服務(wù)器端來實(shí)現(xiàn)。

目前LB集群系統(tǒng)中，常用的會(huì)話保持機(jī)制[4]有如下幾種：

（1）以負(fù)載均衡服務(wù)器入手，管理某個(gè)用戶的請(qǐng)求和這些請(qǐng)求被分配到的集群機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過查詢關(guān)系表，將請(qǐng)求分配到之前被分配到的集群機(jī)上進(jìn)行服務(wù)。

（2）負(fù)載均衡系統(tǒng)中，在多臺(tái)服務(wù)器間根據(jù)處理需要傳遞復(fù)制會(huì)話信息，實(shí)現(xiàn)會(huì)話復(fù)制策略。用戶請(qǐng)求發(fā)送之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)查詢是否已經(jīng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的會(huì)話信息，然后進(jìn)行會(huì)話處理。

（3）從應(yīng)用程序的會(huì)話管理入手，不將會(huì)話數(shù)據(jù)保存在集群機(jī)本地，而是所有集群機(jī)使用同一個(gè)會(huì)話數(shù)據(jù)緩存區(qū)，集群機(jī)通過查詢會(huì)話緩存區(qū)獲取該用戶的Session id對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1.3 會(huì)話保持中的會(huì)話復(fù)制機(jī)制

在LB集群系統(tǒng)中，也常常采用會(huì)話復(fù)制機(jī)制維護(hù)集群中的用戶信息。會(huì)話復(fù)制機(jī)制的主要實(shí)現(xiàn)方式是：通過序列化，將存儲(chǔ)在內(nèi)存的會(huì)話信息轉(zhuǎn)換成可以傳輸?shù)男问剑缓笸ㄟ^廣播將消息傳遞給集群內(nèi)部其他節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文并進(jìn)行相應(yīng)處理，從而使集群系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)著同樣的會(huì)話庫。

這種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載均衡設(shè)備對(duì)任務(wù)分配的靈活性高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性強(qiáng)，具有良好的可靠性和高性能，而且不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障而丟失會(huì)話信息。缺點(diǎn)主要是應(yīng)用規(guī)模小。增加節(jié)點(diǎn)會(huì)造成傳遞會(huì)話復(fù)制信息的工作量加重，造成節(jié)點(diǎn)性能下降，引發(fā)廣播風(fēng)暴。

2改進(jìn)的會(huì)話復(fù)制機(jī)制

會(huì)話復(fù)制機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)適用于負(fù)載均衡集群。但是，對(duì)于集群規(guī)模較大的企業(yè)級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，會(huì)話復(fù)制機(jī)制往往不合適。本次研究的主要目的是改進(jìn)會(huì)話復(fù)制機(jī)制，使該機(jī)制適用于中大型企業(yè)。

復(fù)制會(huì)話信息消耗每個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬，是限制群集的規(guī)模的主要原因。進(jìn)而，為了控制廣播中傳遞的會(huì)話信息量，提出將會(huì)話信息分解，穩(wěn)定的會(huì)話信息部分選擇會(huì)話復(fù)制機(jī)制，數(shù)據(jù)量大且變化大的部分采取集中存儲(chǔ)機(jī)制的會(huì)話機(jī)制，盡量減少在會(huì)話復(fù)制過程中復(fù)制和廣播的信息量，使會(huì)話復(fù)制機(jī)制更適用于大型應(yīng)用系統(tǒng)。

2.1 改進(jìn)方法的硬件部署方案

改進(jìn)后的會(huì)話復(fù)制機(jī)制采用會(huì)話復(fù)制為核心，集中存儲(chǔ)設(shè)備為輔助。具體的服務(wù)器端的硬件部署模型如圖1所示。服務(wù)器端集群多由若干個(gè)中小型規(guī)模集群組成。負(fù)載均衡平臺(tái)的主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)用戶請(qǐng)求，對(duì)任務(wù)進(jìn)行分配。負(fù)載均衡器接受用戶發(fā)送的請(qǐng)求，針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)中的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，均衡分配用戶的請(qǐng)求。負(fù)載均衡器對(duì)集群系統(tǒng)的負(fù)載均衡起到總體調(diào)控的作用。

圖1 硬件部署方案

集群中包含了服務(wù)器集群、數(shù)據(jù)庫集群以及系統(tǒng)備份和企業(yè)級(jí)業(yè)務(wù)。其中，企業(yè)級(jí)業(yè)務(wù)包括FTP服務(wù)、郵件服務(wù)和企業(yè)內(nèi)部管理平臺(tái)。備份服務(wù)器采用雙機(jī)備份的原則，當(dāng)負(fù)載均衡設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，便于系統(tǒng)的恢復(fù)。

為了解決會(huì)話復(fù)制過程中大量數(shù)據(jù)復(fù)制的問題，在集群結(jié)構(gòu)的內(nèi)部添加了會(huì)話集中存儲(chǔ)設(shè)備。該設(shè)備用于存儲(chǔ)穩(wěn)定性較差的會(huì)話信息，對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳遞方式，僅限于處理節(jié)點(diǎn)與會(huì)話存儲(chǔ)設(shè)備之間的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于同一用戶的會(huì)話數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的穩(wěn)定性，將用戶的會(huì)話數(shù)據(jù)劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)部分和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)部分。靜態(tài)會(huì)話數(shù)據(jù)變化不大，數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，具有一定的穩(wěn)定性，如用戶名、系統(tǒng)參數(shù)等，采用會(huì)話復(fù)制的形式。動(dòng)態(tài)會(huì)話信息包含一些隨著時(shí)間變化而改變的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)本身具有復(fù)雜性，如購物車、表單、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。將這部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理放在處理節(jié)點(diǎn)和集中存儲(chǔ)設(shè)備上，有效地控制這部分?jǐn)?shù)據(jù)傳播的規(guī)模，而且點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸處理也減少了對(duì)集群內(nèi)部帶寬的占用。

2.2 機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

改進(jìn)后的會(huì)話復(fù)制機(jī)制，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

（1）假設(shè)用戶A訪問系統(tǒng)時(shí)，服務(wù)器端接收用戶請(qǐng)求，由負(fù)載均衡平臺(tái)進(jìn)行任務(wù)分配處理。負(fù)載均衡器動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地監(jiān)控集群中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀態(tài)，將任務(wù)分配到負(fù)載相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)上。負(fù)載均衡平臺(tái)可通過軟件或者硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)集群負(fù)載起到總體調(diào)控的作用。假設(shè)負(fù)載均衡器根據(jù)當(dāng)前集群狀態(tài)將任務(wù)分配到節(jié)點(diǎn)X。

（2）接收到請(qǐng)求后，節(jié)點(diǎn)X會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理。首先，服務(wù)器X從用戶請(qǐng)求中查詢請(qǐng)求數(shù)據(jù)中的會(huì)話ID。

圖2 集群中服務(wù)器處理流程

①如果請(qǐng)求中沒有會(huì)話ID，或節(jié)點(diǎn)X沒有從本機(jī)會(huì)話庫中查詢到該會(huì)話ID，集群系統(tǒng)中沒有用戶A的會(huì)話信息，則節(jié)點(diǎn)X為用戶A創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的會(huì)話信息。在會(huì)話創(chuàng)建完成后，分離出會(huì)話中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)會(huì)話直接通過廣播的形式發(fā)送到集群中的每臺(tái)服務(wù)器。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在完成用戶請(qǐng)求后，再發(fā)送至動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)設(shè)備。

②如果會(huì)話庫中包含對(duì)應(yīng)的會(huì)話ID，則節(jié)點(diǎn)X先從會(huì)話庫中得到對(duì)應(yīng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)。然后，發(fā)送動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)請(qǐng)求給動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)區(qū)。從回復(fù)消息中，提取相應(yīng)的動(dòng)態(tài)會(huì)話數(shù)據(jù)。服務(wù)器X將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，得到用戶完整的會(huì)話信息。

（3）經(jīng)過第（2）步得到完整的會(huì)話信息后，處理用戶的請(qǐng)求，根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)處理，將處理結(jié)果返回給用戶。處理結(jié)果中包含會(huì)話ID，服務(wù)器將會(huì)話ID作為Cookie的一個(gè)屬性發(fā)送給客戶端，用戶后續(xù)訪問將自動(dòng)攜帶該Cookie屬性。

（4）任務(wù)完成后，服務(wù)器中存儲(chǔ)的該用戶動(dòng)態(tài)會(huì)話信息可能發(fā)生改變。這時(shí)服務(wù)器X需要向動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)送存儲(chǔ)/更新動(dòng)態(tài)會(huì)話數(shù)據(jù)的命令，存儲(chǔ)/更新對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)會(huì)話數(shù)據(jù)信息。若設(shè)備中沒有該會(huì)話ID，則直接存儲(chǔ)新用戶的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)處理后的會(huì)話信息中靜態(tài)數(shù)據(jù)是否改變，決定是否發(fā)送廣播消息。

這種模式下，服務(wù)器處理完用戶請(qǐng)求后，一般的數(shù)據(jù)處理中，靜態(tài)數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性，廣播一次就能實(shí)現(xiàn)同步。更新的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)需要從處理節(jié)點(diǎn)發(fā)送到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)，由集中數(shù)據(jù)管理器進(jìn)行存儲(chǔ)處理。

3模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)后Session復(fù)制算法的性能，使用同一應(yīng)用系統(tǒng)分別采用不同的會(huì)話支持技術(shù)進(jìn)行比較分析。在模擬過程中，應(yīng)用系統(tǒng)采用“青島某服裝企業(yè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)”，搭建的集群環(huán)境采用八臺(tái)處理機(jī)，其中一臺(tái)為主服務(wù)器，作負(fù)載均衡器。采用Tomcat進(jìn)行服務(wù)器集群及負(fù)載均衡。Session集中存儲(chǔ)設(shè)備的大小配置為256 GB（根據(jù)需要更改大小）。

如表1所示，采用tomcat集群中復(fù)制模式（會(huì)話復(fù)制）、Session集中存儲(chǔ)模式和包含動(dòng)態(tài)Session集中存儲(chǔ)區(qū)的會(huì)話復(fù)制方式進(jìn)行性能比較。

表1 平均響應(yīng)時(shí)間對(duì)比（ms）

模擬結(jié)果如圖3所示，在初始階段，處理性能都很高。當(dāng)用戶請(qǐng)求增加到一定數(shù)量時(shí)，服務(wù)器的性能下降，傳統(tǒng)會(huì)話復(fù)制機(jī)制會(huì)因節(jié)點(diǎn)間傳遞信息量的劇增導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間增大。會(huì)話集中存儲(chǔ)方式下，因節(jié)點(diǎn)等待訪問存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)改進(jìn)后的算法較長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)下的會(huì)話復(fù)制模式由于查找會(huì)話ID以及廣播數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，雖然加重了節(jié)點(diǎn)對(duì)會(huì)話數(shù)據(jù)的處理，但隨著用戶訪問量的增多，系統(tǒng)處理效率仍處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 平均響應(yīng)時(shí)間對(duì)比的柱形圖

綜上所述，動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)下的會(huì)話復(fù)制模式在平均響應(yīng)時(shí)間比較穩(wěn)定地增長(zhǎng)、系統(tǒng)訪問量劇增時(shí)，系統(tǒng)處理性能仍然穩(wěn)定，適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對(duì)較大的集群系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

針對(duì)會(huì)話復(fù)制方法無法適應(yīng)大規(guī)模集群系統(tǒng)的問題，提出了動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)的會(huì)話復(fù)制機(jī)制，將靜態(tài)會(huì)話數(shù)據(jù)采取會(huì)話復(fù)制策略，而動(dòng)態(tài)部分采取集中存儲(chǔ)的策略，進(jìn)而滿足負(fù)載均衡系統(tǒng)中會(huì)話一致的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可靠性好，性能穩(wěn)定，可滿足大型應(yīng)用平臺(tái)的會(huì)話需求。如何提高動(dòng)態(tài)會(huì)話集中存儲(chǔ)下的會(huì)話復(fù)制方法的穩(wěn)定性是之后的研究重點(diǎn)。

[1]郭成城，晏蒲柳.一種異構(gòu)Web服務(wù)器集群動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2005，28（2）：179-184.

[2]陳一驕，盧錫城，時(shí)向泉，等.一種面向會(huì)話的自適應(yīng)負(fù)載均衡算法[J].軟件學(xué)報(bào)，2008，19（7）：1828-1836.

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（收稿日期：2014-12-09）

The application research of session maintain method based on the cluster system

Zhang Lei，Hou Ruichun，Ding Xiangqian
（College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266000，China）

The uniformity of user session information in server is one of importance factors affecting the cluster load balancing. Based on researching the session maintain method in the current load balancing cluster system，a session replication with dynamic session centralized storage equipment is proposed.The purpose of this method is to solve network congestion with the increasing of request in the session replication method.Simulation results show that the method is stable in response to big user requests in large scale cluster environment，the average response time in the linear growth condition.It meet the need of session processing in largescale enterprise application.

cluster；load balancing；session maintain method；session replication

TP311

A

1674-7720（2015）09-0032-03

2015-01-04）

張蕾（1989-），通信作者，女，碩士，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用，并行與分布式理論。E-mail：240211109@qq.com。

侯瑞春（1963-），女，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

丁香乾（1962-）男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：計(jì)算智能、軟件工程、數(shù)字家庭、制造業(yè)信息化等。

國(guó)家科技技術(shù)支撐計(jì)劃（863計(jì)劃）（2012BAH15F01）；青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目課題（13-7-1-ZDZX4-GX）