駱劍鋒, 陳俞強

(東莞職業(yè)技術學院 計算機工程系, 廣東 東莞 523808)

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采用環(huán)加星型網絡結構負載均衡集群技術的云平臺設計

駱劍鋒, 陳俞強

(東莞職業(yè)技術學院 計算機工程系, 廣東 東莞 523808)

摘要：設計運用獨特的負載均衡集群技術，構建一個兼顧性能可靠、運行安全和成本節(jié)約的云平臺.使用環(huán)型網與星型網相結合的網絡結構，并施以組合形式多樣化的計算技術，解決傳統云平臺技術的諸多問題.可靠性測試顯示：負載越高時，設計的云平臺性能越好，而且具有長期穩(wěn)定的技術特性.

關鍵詞：云平臺技術； 負載均衡集群技術； 網絡拓撲; 分布式計算; 流水線計算

云平臺面對大量的計算，必須能適應計算量的增加[1].對于不斷增加的計算量，更換服務器需要較高的成本，改進舊的服務器是一種較經濟的選擇.從長遠看，云平臺使用負載均衡集群技術，可用多臺設備進行分布式計算，從而提高性能.現在常用的服務器集群方式是多層層次結構，只適用于分布式計算，且存在瓶頸與網絡線路低可靠性等問題[2].因此，本文運用獨特的負載均衡集群技術，構建云平臺的數據庫與Web服務器，使計算的壓力充分分到不同的計算機上，降低了局部計算機的負擔和風險.

圖1　云平臺的結構Fig.1　Structure of cloud platform

1云平臺結構和網絡拓撲圖

云平臺的結構,如圖1所示.由圖1可知：分工明確的服務器集群里有提供Web服務、數據庫和注冊服務的集群等.

云平臺的網絡拓撲圖，如圖2所示.圖2(a)中：四角分別有4個小圓，它們是提供Web服務的集群，用戶使用特定的IE訪問它們，它們提供相同服務，特定IE會根據Web服務器的性能，決定訪問哪一個集群；數據1～數據6組成一個環(huán)型網，是常用數據庫集群；數據A～數據D也是環(huán)網，是存儲長期和重要的數據的數據庫集群.圖2(b)中：注冊主頁中轉服務器會根據上一層服務器的性能決定用戶在哪個服務器中注冊及生成特定IE，發(fā)送特定IE軟件到用戶E-mail中，用戶再從E-mail中下載并使用其訪問Web服務器集群.

(a) 主要功能區(qū) (b) 注冊與下載區(qū)域圖2　云平臺的網絡拓撲圖Fig.2　Network topology of cloud platform

2云平臺功能區(qū)和數據庫網絡與服務器集群

數據庫的網絡拓撲圖，如圖3所示.圖3中:3個環(huán)的作用是當網絡某處出現故障時，使其能正常通訊；數據庫分3層，第三層(內環(huán)N1～N3)是重要及長期保存的數據庫，作備份用，第二層(中環(huán)Z1～Z4)是第一層數據庫的熱備份，一旦第一層(外環(huán)W1[3]～W3)數據庫出現故障，馬上切換.外環(huán)有多個數據庫，根據用戶ID進行映射，決定被哪個Web服務器訪問.

除了網絡的設計，服務器間集群方式也很重要.數據庫的水平與垂直分割的集群示意圖,如圖4所示.圖4中：按照數據庫提供的信息分類進行分割，不同的服務訪問對應的數據庫設備,把負荷分散,提高性能(FG1)；用戶的查詢比操作活動多，因此，查詢與操作分開設備進行，性能再次提升(FG2).此外，也注重數據庫內的設計，如表的垂直與水平分割[4].

圖3　數據庫網絡拓撲圖 圖4　水平與垂直分割　　　Fig.3　Network topology of database Fig.4　Horizontal and vertical segmentation

1) 表的水平分割.在設計表時，某些表的數據可能很多，使表變得很長，不利于查找[5]，因此，把它變成多個表存放.在查找數據時，用哈希查找方法定位，就會快很多.2) 表的垂直分割.在設計表時，表中常被查找的字段與不常被查找的字段分開，分別成一個表.

除了數據中心外，設計的平臺還要通過Web服務器對外提供服務，進行多環(huán)加星式的服務器集群.其中，環(huán)的集群有利于流水線計算，而星型的集群則方便分布式計算，具體選擇要看Web服務器提供什么服務.此集群方式的示意圖，如圖5所示.圖5是一個環(huán)加星的Web服務器集群，如果要面對巨大的計算或應付眾多用戶頻繁的訪問，必須選擇多個環(huán)加星集群再結合特定IE的集群方式，如圖6所示.

圖5　Web服務器的集群方式圖 圖6　多環(huán)加星結合特定IE的集群　　　　Fig.5　Ways of the cluster Web server Fig.6　Cluster of multiring and star network special IE

特定IE不只有瀏覽功能，它應該還有其他的功能，如圖7所示.IE的實現并不難，在許多編程環(huán)境中都提供有控件(Web Browser)和對象(Document)[6].用戶使用IE需要進行注冊，注冊后下載本平臺IE.這個IE的注冊模塊及其集群形式,如圖8所示.

圖7　基本功能模塊圖 圖8　注冊功能的服務器集群　　　　　Fig.7　Basic function module diagram Fig.8　Server cluster for registration function

圖9　故障示意圖Fig.9　Diagram of breakdowns

3可靠性和性能分析

3.1可靠性分析

設計采用環(huán)型網絡與星型網結合，保證平臺不因某處的網絡故障而停止服務.設備采用冗余方式，且使用磁盤陳列.因此，單個設備的故障不會造成服務停止.充分考慮負載均衡，以免造成死機.以一故障為例，其示意圖如圖9所示.

計算本平臺因故障而完全停止服務的概率(以圖2(b)的設備數量為例).設每條線路出故障的概率為px，設備出故障的概率為ps，那么,對所有Web服務器集群都不能提供服務的概率(pw)為

式中：px2表示環(huán)結構一般出現2處故障，網絡才失去通訊能力；ps4表示Web服務器集群有4個服務器，最差的情況是所有服務器都故障，這個集群就不能提供服務；(px2+ps4)4表示服務器集群有4個.

數據中心不提供服務的概率(pd)為pd= px16+ps4,則本平臺完全不能提供服務的概率(P)為P=pw+pd=(px2+ps4)4+px16+ps4.

現實中，一條正常的線路工作20h，出現一次故障，而發(fā)現、檢測、修復的時間一般為1h[7].所以,px可以估值為1/20.同樣,ps大概為1/20.從而得出P約為1/160 000，即18a中有1h故障.

3.2性能分析

本平臺的性能主要取決于Web服務器集群，它可以為運行的服務提供多種計算形式,如流水線計算、分布式計算、流水線與分布式混合式計算.

如果服務可以分成多個子任務計算，那么，可以用流水線完成.設n為任務數，每個任務分成k個子任務，Δti為第i個子任務所需的時間，則流水線完成n個任務所需的時間[8]為

不用流水線，那么，完成任務所用的時間為

假設有100個任務，每個任務分成10個子任務，每個子任務完成的時間為1s，那么，tK1為199s，而tK2為1 000s.所以,用流水線計算要快4倍.當然，如果任務數增加，倍數也會隨著增加.

如果服務可以分成多個子任務并行計算，那么，可以用分布式完成.其性能分析為

(1) 分布式:tK1=(n)max(Δt1，Δt2，…，Δtk),

(2) 一般式:tK2=(∑Δti)+(n-1)(∑Δti).

圖10　性能分析對比圖Fig.10　Performance analysis of the comparison chart

如果假設的情況與流水線的例子一樣，那么,tK1為100s，而tK2為1 000s，相差9倍，并且隨著任務數的增加，倍數也隨之增加.根據上面例子所做的性能分析圖，如圖10所示.圖10中：N為任務數；t為時間.由圖10可知：單機計算與流水線和分布式計算的差別.

4結束語

本平臺在多個單位得到應用，運行的是工作流系統.有不少服務器用PC機代替，但本平臺已經持續(xù)運行半年多，并且曾多次進行軟硬件升級.據統計，平臺平均每天訪問量為每次8 390人，每人在一天內的平均操作時間為2h，平均每天被訪問時間為15h，其并發(fā)數為每小時1 049個任務，并發(fā)數峰值為每小時1 155個任務.使用流行配置的PCServer構建的B/S系統作對比，它的并發(fā)數一旦接近每小時300個任務，便要進行重啟.當然，服務的高可靠性、高性能和易擴展性等是由眾多因素決定的[9]，如服務的程序使用了落后的算法、過多外部命令的調用、在不穩(wěn)定的操作系統上運行等也是降低性能及可靠性的因素[10].這是將后續(xù)需要研究的課題.

參考文獻：

[1]KHAZAEIH,MISICJ,MISICVB.PerformanceanalysisofcloudcomputingcentersusingM/G/m/m+rqueuningsystems[J].IEEETransactionsonParallelandDistributedSystems,2012,23(5):936-943.

[2]ZHANGLiangjie,ZHOUQun.CCOA:Cloudcomputingopenarchitecture[C]∥IEEEInternationalConferenceonWebServices.LosAngeles:IEEEPress,2009:607-616.

[3]黃河,劉旭東,孫海龍.云計算環(huán)境下服務中間件動態(tài)管理框架的設計與實現[J].計算機工程與科學,2013,35(1):30-35.

[4]常玉紅.基于云平臺的空間數據分發(fā)與管理系統研究[J].計算機應用與軟件,2012(11):252-256.

[5]AVILAP,MOTAA,PIRESA,etal.Supplier′sselectionmodelbasedonanempiricalstudy[J].ProcediaTechnology,2012,5:625-634.

[6]劉正偉，文中領，張海濤.云計算和云數據管理技術[J].計算機研究與發(fā)展,2012,49(增刊1)：26-31.

[7]黎宏劍,劉恒,黃廣文,等.基于Hadoop的海量電信數據云計算平臺研究[J].電信科學,2012,28(8):80-85.

[8]羅軍舟，金嘉暉，宋愛波，等.云計算:體系架構與關鍵技術[J].通信學報,2011,32(7):3-21.

[9]駱劍鋒.混合模式下的主題自定信息收集系統[J].科技通報,2012,28(4):91-93.

[10]葉丹丹，羅繼亮.利用Petri網特征結構的故障診斷方法[J].華僑大學學報(自然科學版),2014，35(4):378-382.

(責任編輯： 黃曉楠英文審校： 吳逢鐵)

Cloud Platform Based on the Ring Star Network and Load Balancing Technique

LUO Jianfeng, CHEN Yuqiang

(Department of Computer Engineering， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808, China)

Abstract：Adopting the cluster load balancing technique to design a unique high-performance, reliable, and easily expanded cloud platform, as well as applying a combination of ring and star network and a various multi-formed counting technique to solve the problems of the traditional platform technique. According to the reliable tests: the higher of the load, the better performance and longer stability will be achieved.

Keywords：cloud platform techniques; cluster load balancing technique; Network topology; distributed calculation; pipeline calculation

中圖分類號：TP 302

文獻標志碼：A

基金項目：廣東省優(yōu)秀青年教師人才培養(yǎng)計劃資助項目(2015S02, YQ2013201)； 東莞職業(yè)技術學院示范建設專項資金資助項目(ZXHQ2014D001)

通信作者：駱劍鋒(1981-)，男，副教授，主要從事系統設計、軟件開發(fā)的研究.E-mail:251048547@qq.com.

收稿日期：2015-12-22

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.02.0164

文章編號：1000-5013(2016)02-0164-04