李晉超

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，山西 長(zhǎng)治 046011）

1 引言

近年來(lái)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)發(fā)展迅速，有力的促進(jìn)了高校由“數(shù)字校園”向“智慧校園”的全面升級(jí)，“智慧校園”對(duì)于高校的行政管理、教學(xué)科研、后勤保障等各方面提供了決策依據(jù)，并打破了種種屏障，使校園網(wǎng)各項(xiàng)功能相互融合，大大提升了高校的管理水平。

“智慧校園”校園網(wǎng)需要硬件設(shè)施作為基礎(chǔ)，例如高帶寬的出入接口，覆蓋校園的無(wú)線(xiàn)設(shè)備，高配置的服務(wù)器等，作為校園網(wǎng)核心的服務(wù)器承載了大流量的數(shù)據(jù)傳輸，包括了HTTP、FTP、Video等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。為了更好發(fā)揮服務(wù)器的作用，避免延遲、卡頓等現(xiàn)象發(fā)生，負(fù)載均衡（Load Balance）技術(shù)在服務(wù)器集群上的配置尤為關(guān)鍵，其含義是通過(guò)選擇合適的策略把任務(wù)分?jǐn)傇诿總€(gè)服務(wù)器上，最大程度提高服務(wù)器集群整體運(yùn)行效果，是目前企業(yè)、政府、學(xué)校等應(yīng)用較為普遍的解決服務(wù)器負(fù)載過(guò)高的一種有效途徑。

利用OPNET軟件模擬實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)服務(wù)器集群負(fù)載均衡技術(shù)并進(jìn)行研究，這對(duì)我院建設(shè)“智慧校園”會(huì)有很大的幫助。OPNET是網(wǎng)絡(luò)原理性研究和網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐兩方面完美結(jié)合的產(chǎn)物[1]，不僅可以用來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并加以改進(jìn)測(cè)試，還可以仿真驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的實(shí)施效果。作為當(dāng)今先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，近年來(lái)被國(guó)內(nèi)很多企業(yè)、大學(xué)廣泛使用。

2 負(fù)載均衡主要算法簡(jiǎn)介

（1）輪循調(diào)度算法 （Round Robin Scheduling，round-robin），把請(qǐng)求執(zhí)行的任務(wù)在服務(wù)器集群內(nèi)部的服務(wù)器上依次執(zhí)行，每次執(zhí)行的服務(wù)器值為i=（i+1）mod n。

（2）隨機(jī)算法（Random），每臺(tái)服務(wù)器都會(huì)得到一個(gè)由偽隨機(jī)算法得出的值，值為最大或最小值的服務(wù)器會(huì)優(yōu)先執(zhí)行請(qǐng)求任務(wù)，即每次調(diào)度執(zhí)行i=rand(seed)[2]。

（3）最小負(fù)載優(yōu)先算法（1east load first，LLF），就是把請(qǐng)求執(zhí)行的任務(wù)分配給當(dāng)前處理負(fù)荷最輕的服務(wù)器，此算法綜合比較各服務(wù)器硬件條件及當(dāng)前連接數(shù)據(jù)等情況。

（4）少連接數(shù)算法（Least Connection First，LCF）是動(dòng)態(tài)算法，其觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為連接少的服務(wù)器的負(fù)載較輕，能夠快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求，具備更強(qiáng)的服務(wù)能力。

3 建模仿真

3.1 建模

根據(jù)學(xué)院實(shí)際運(yùn)行情況，在OPNET軟件中構(gòu)建相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?jiàn)圖1，其中包括了學(xué)生公寓、教學(xué)樓、行政樓、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心、實(shí)訓(xùn)中心幾個(gè)主要部分。分別在Appliacation、Profile、客戶(hù)端、服務(wù)器端相應(yīng)配置了HTTP應(yīng)用服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心設(shè)置了三臺(tái)硬件配置與操作系統(tǒng)都相同的服務(wù)器，通過(guò)路由器Load_Balancer與Router1相連，見(jiàn)圖2；由于學(xué)生公寓、教學(xué)樓、行政樓、實(shí)訓(xùn)中心的用戶(hù)較多，為了便于測(cè)試分別設(shè)置了7臺(tái)客戶(hù)機(jī)并通過(guò)交換機(jī)與外部路由器連接。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 服務(wù)器集群連接

3.2 模擬仿真

通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心內(nèi)的路由器Load_Balancer分別設(shè)置無(wú)負(fù)載均衡、輪循調(diào)度算法、隨機(jī)算法、最小負(fù)載優(yōu)先算法、少連接數(shù)算法生成五個(gè)場(chǎng)景，選擇觀(guān)察全局目標(biāo)中的HTTP選項(xiàng)，節(jié)點(diǎn)中服務(wù)器CPU以及負(fù)載均衡選項(xiàng)，分別運(yùn)行仿真時(shí)間1小時(shí)。

4 對(duì)比分析

首先對(duì)五個(gè)場(chǎng)景運(yùn)行結(jié)束的全局目標(biāo)HTTP結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3，各場(chǎng)景的HTTP對(duì)象的響應(yīng)時(shí)間差距不明顯，設(shè)置無(wú)負(fù)載均衡的場(chǎng)景前期響應(yīng)時(shí)間值較高，后期五個(gè)場(chǎng)景下的HTTP響應(yīng)時(shí)間差別不大。再觀(guān)察傳輸速率結(jié)果，見(jiàn)圖4，結(jié)果前期顯示采用輪循調(diào)度算法的結(jié)果好于其他算法，后期最小負(fù)載優(yōu)先算法較優(yōu)。

圖3 HTTP響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

圖4 傳輸速率對(duì)比

圖5 CPU利用率對(duì)比

圖6 傳輸速率對(duì)比

其次觀(guān)察網(wǎng)絡(luò)管理中心內(nèi)部的第一臺(tái)服務(wù)器的CPU利用率在不同算法下的運(yùn)行結(jié)果，如圖5顯示，在沒(méi)有使用負(fù)載均衡的情況下，服務(wù)器的CPU利用率明顯高于采用了負(fù)載均衡算法的其他場(chǎng)景的值。由于本次模擬仿真只使用了HTTP一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，沒(méi)有添加其它網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，沒(méi)有使用負(fù)載均衡技術(shù)而導(dǎo)致的CPU利用率較高從而不利于其他網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的運(yùn)行，影響了服務(wù)器集群的性能發(fā)揮。CPU利用率最小的是隨機(jī)算法，依次是少連接數(shù)算法、輪循調(diào)度算法、最小負(fù)載優(yōu)先算法。

圖6顯示結(jié)果為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心內(nèi)部的路由器在通過(guò)設(shè)置不同的負(fù)載均衡策略下數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比。當(dāng)選擇負(fù)載均衡策略為最小負(fù)載優(yōu)先算法時(shí)，前期數(shù)據(jù)包傳輸值較高，但波動(dòng)范圍較大；而策略為少連接數(shù)算法時(shí)，前期數(shù)據(jù)包傳輸值較高，后期運(yùn)行平穩(wěn)；輪循調(diào)度算法被選用時(shí)，狀態(tài)保持穩(wěn)定，后期數(shù)據(jù)包傳輸值較高；隨機(jī)算法的運(yùn)行效果是最差的。

綜合對(duì)比仿真結(jié)果，顯示當(dāng)路由器使用負(fù)載均衡算法為少連接數(shù)算法時(shí)，服務(wù)器集群提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效果較為理想，其他場(chǎng)景下差距較大，顯示在當(dāng)前工作環(huán)境下這種算法能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到良好服務(wù)的效果。

通過(guò)設(shè)置校園網(wǎng)服務(wù)器集群負(fù)載均衡技術(shù)，能有效地解決校園網(wǎng)用戶(hù)在訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)存在響應(yīng)時(shí)間較高的問(wèn)題，充分利用了已有設(shè)備，避免了購(gòu)置性能卓越的服務(wù)器高昂費(fèi)用，避免了服務(wù)器單點(diǎn)故障造成數(shù)據(jù)流量的損失[3]。即使將來(lái)有新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)增加到“智慧校園”當(dāng)中，集群內(nèi)服務(wù)器數(shù)量適當(dāng)增加即可，大大減輕了管理人員的工作量并提高了工作效率。

5 總結(jié)

由于本實(shí)驗(yàn)只設(shè)置了HTTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，沒(méi)有添加更多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以增加復(fù)雜度，會(huì)在以后的研究中在已知的算法上進(jìn)行改進(jìn)，也會(huì)在不同的服務(wù)器硬件配置及操作系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)，更好地為學(xué)院建設(shè)“智慧校園”服務(wù)，提高我院信息化工作服務(wù)水平。同時(shí)把通過(guò)OPNET對(duì)校園網(wǎng)服務(wù)器集群進(jìn)行負(fù)載均衡模擬仿真的過(guò)程作為工作案例引入教學(xué)當(dāng)中，這對(duì)我院積極推進(jìn)的項(xiàng)目化課程改革也有著良好的促進(jìn)作用。