鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

1、鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)論文鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)陜斌煜(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州730000)【摘要】隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，鐵路信息系統(tǒng)依靠大幅度提高單臺(tái)服務(wù) 器處理能力的方式已無(wú)法滿足業(yè)務(wù)訪問(wèn)的需求，需廣泛引入負(fù)載均衡技術(shù)來(lái)實(shí) 現(xiàn)。對(duì)鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞鐵路信息系統(tǒng)；負(fù)載均衡；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)隨著鐵路行業(yè)的高速發(fā)展，鐵路覆蓋地域也越來(lái)越廣，員工數(shù)量也越來(lái)越多， 為跟上鐵路信息化的發(fā)展，鐵路信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了初步的整合，但因鐵路信息系統(tǒng) 的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的性能有限，鐵路信息系統(tǒng)訪問(wèn)量和數(shù)據(jù)流量的高速增長(zhǎng)，使

2、單一的，服務(wù)器設(shè)備無(wú)法獨(dú)自承擔(dān)高強(qiáng)度的計(jì)算和不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)處理需求，加強(qiáng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力，擴(kuò)展服務(wù)器的吞吐量，使鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡，是解 決問(wèn)題的有效方法。1負(fù)載均衡技術(shù)概述通過(guò)提供服務(wù)的一組服務(wù)器組成一個(gè)應(yīng)用服務(wù)器群集 (cluster)，并對(duì)外提供 一個(gè)虛擬的地址。當(dāng)一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求被發(fā)至該群集時(shí)，根據(jù)服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)健康 情況，選擇性能最佳的服務(wù)器響應(yīng)用戶的請(qǐng)求。充分利用所有的服務(wù)器資源，將所有流量均衡的分配到各個(gè)服務(wù)器。通過(guò)負(fù)載均衡技術(shù)制定合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和合 適的均衡策略，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)服務(wù)器或多條鏈路共同承擔(dān)高強(qiáng)度的計(jì)算或I/O任務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的靈活性和可靠性。2負(fù)載均衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鐵路

3、信息系統(tǒng)采用的是本地負(fù)載均衡結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)本地服務(wù)器做負(fù)載均衡來(lái)解決業(yè)務(wù)訪問(wèn)量過(guò)大、服務(wù)器負(fù)荷過(guò)重的問(wèn)題。負(fù)載均衡的拓?fù)浼軜?gòu)主要有直連和旁掛兩種方式。2.1直連方式（如圖1所示）圖1直連方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直連方式的負(fù)載均衡拓?fù)浼軜?gòu)是通過(guò)對(duì)外部虛擬服務(wù)器IP地址與內(nèi)部應(yīng)用服務(wù)器IP地址設(shè)為不同網(wǎng)段的地址來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。因外部訪問(wèn)無(wú)法直接訪問(wèn) 到應(yīng)用服務(wù)器，對(duì)內(nèi)部應(yīng)用服務(wù)器在一定程度上起到了保護(hù)作用，減少了對(duì)外服務(wù)IP地址的使用量。2.2旁掛方式旁掛方式分為單臂模式和雙臂模式兩種。因雙臂模式在鐵路信息系統(tǒng)中的應(yīng) 用較少，本文主要就單臂模式作以研究。單臂模式如圖2所示。JS<rwCf 3Saw*，.

4、' 01 10 SB - B； OH-SB «圖2單臂旁排方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單臂旁掛方式是通過(guò)將對(duì)外部虛擬服務(wù)器 IP地址與應(yīng)用服務(wù)器IP地址為同 一網(wǎng)段的地址來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵路信息系統(tǒng)的負(fù)載均衡。采用單臂旁掛方式解決了負(fù)載均 衡端口數(shù)量不足的問(wèn)題，可遠(yuǎn)程登錄應(yīng)用服務(wù)器直接進(jìn)行維護(hù)， 也可在負(fù)載均衡 設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，準(zhǔn)確定位故障并及時(shí)采取應(yīng)急恢復(fù)措施。2.3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)1 ）全冗余連接方法，能夠絕對(duì)保證網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有單點(diǎn)故障的存在。2）所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是可以直接相連，減少網(wǎng)絡(luò)層次和避免新的單點(diǎn)故障。3）比較少的網(wǎng)絡(luò)層次，避免運(yùn)行維護(hù)時(shí)面對(duì)的大批網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。4 ）靈活的擴(kuò)展空間，用戶可以根據(jù)實(shí)際的

5、網(wǎng)絡(luò)流量和壓力增加鏈路帶寬， 添加防火墻或增加服務(wù)器來(lái)提高整體的服務(wù)水平。2.4拓?fù)浼軜?gòu)的結(jié)合設(shè)計(jì)（如圖3所示）:圖3拓扌卜架構(gòu)的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)負(fù)載均衡拓?fù)浼軜?gòu)時(shí)，結(jié)合兩種拓?fù)浼軜?gòu)進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì) 互補(bǔ)，更好的實(shí)現(xiàn)鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡。如圖3所示，假定選擇直連方式的負(fù)載均衡拓?fù)浼軜?gòu)，負(fù)載均衡設(shè)備對(duì)內(nèi)指 向兩組應(yīng)用服務(wù)器，分別處理不同的業(yè)務(wù)訪問(wèn)請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)外部訪問(wèn)請(qǐng)求通過(guò)三 層交換機(jī)送達(dá)負(fù)載均衡設(shè)備后，負(fù)載均衡設(shè)備選擇一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器（Server2）來(lái)響應(yīng)訪問(wèn)請(qǐng)求，并將訪問(wèn)請(qǐng)求包的目的地址與端口轉(zhuǎn)換成應(yīng)用服務(wù)器Server2的網(wǎng)卡物理地址和設(shè)定的服務(wù)端口，再將數(shù)據(jù)包發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器 Serve

6、r2，應(yīng)用服務(wù)器Server2對(duì)收到的訪問(wèn)請(qǐng)求暫時(shí)擱置，向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)起一個(gè)新的查 詢請(qǐng)求。因數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器Server2的IP地址不在同一網(wǎng)段內(nèi)，故當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器執(zhí)行完查詢請(qǐng)求后只能將回應(yīng)包發(fā)送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，即三層交換 機(jī)。再根據(jù)三層交換機(jī)上的路由信息將回應(yīng)包通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù) 器Server2，應(yīng)用服務(wù)器Server2結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)來(lái)的信息，及時(shí)對(duì)外部訪問(wèn)請(qǐng)求 作出回應(yīng)，并返回給外部訪問(wèn)者。3實(shí)現(xiàn)鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡的方案3.1負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)過(guò)程負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)兩類設(shè)備：服務(wù)器(SERVER)、分配器 (DISPATCHER)。SERVER是給用戶提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)

7、設(shè)備，DISPATCHER是根 據(jù)客戶和服務(wù)器的各種情況，通過(guò)一定的算法進(jìn)行服務(wù)器的調(diào)動(dòng)和分配工作的設(shè) 備。負(fù)載均衡設(shè)備對(duì)內(nèi)指向一個(gè)服務(wù)器群，對(duì)外則構(gòu)成一臺(tái)虛擬服務(wù)器，通過(guò)虛擬服務(wù)器對(duì)外提供服務(wù)。負(fù)載均衡設(shè)備需要當(dāng)外部的一個(gè)訪問(wèn)虛擬服務(wù)器的請(qǐng)求 被送達(dá)負(fù)載均衡設(shè)備后，再根據(jù)預(yù)先定好的負(fù)載均衡算法，從服務(wù)器群中挑選一 臺(tái)性能最佳的服務(wù)器來(lái)響應(yīng)用戶的訪問(wèn)請(qǐng)求。在服務(wù)器處理訪問(wèn)請(qǐng)求并作出回應(yīng)前，負(fù)載均衡設(shè)備要將訪問(wèn)請(qǐng)求包的目的與端口轉(zhuǎn)換成服務(wù)器的網(wǎng)卡物理地址和 設(shè)定的服務(wù)端口。當(dāng)服務(wù)器處理回應(yīng)訪問(wèn)請(qǐng)求后再通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備返回給外部 訪問(wèn)者，從而實(shí)現(xiàn)一次完整的訪問(wèn)過(guò)程。3.2負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)方法重定向H

8、TTP的協(xié)議服務(wù)器有重新定位的功能，利用此功能，在應(yīng)答包的投中加入 LOCATION命令，將請(qǐng)求重新分配到其他服務(wù)器?；蚶肏TML文件中的鏈接， 將網(wǎng)頁(yè)的不同部分放在不同的服務(wù)器上。例如：利用HTTP的重定向功能，將一個(gè)站點(diǎn)的主體框架網(wǎng)頁(yè)放在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，再將網(wǎng)頁(yè)上所有的圖片放在一臺(tái)專用 的服務(wù)器上，音頻文件放在另外一臺(tái)服務(wù)器上，網(wǎng)頁(yè)上其它的組成部分由不同的服 務(wù)器提供，當(dāng)用戶連接主體網(wǎng)頁(yè)的時(shí)候，就能減輕主體服務(wù)器的負(fù)載，達(dá)到負(fù)載均 衡的目的。但是由于在HTTP重定向的實(shí)際使用中開(kāi)銷太大，速度有限,效率一般。3.2.2TCP 層法當(dāng)連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，分配器監(jiān)聽(tīng) TCP80端口會(huì)根據(jù)負(fù)載均衡算法

9、轉(zhuǎn)發(fā)到各 個(gè)服務(wù)器，再由服務(wù)器將應(yīng)答分發(fā)給分配器，分配器再發(fā)給用戶。采用這種方法 的弊端是容易造成分配器的瓶頸，使所有的用戶都要通過(guò)分配器來(lái)訪問(wèn)服務(wù)器， 降低了鐵路信息系統(tǒng)的服務(wù)效率。3.2.3TP 層法TP層法主要是運(yùn)用NAT技術(shù)，由由分配器通過(guò)替換源IP地址和目的IP地 址來(lái)實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)。采用這種方法的弊端也是分配器瓶頸的問(wèn)題。因?yàn)閷?duì)于每一個(gè)這樣的連接都需要在分配器中由相應(yīng)的一個(gè)地址轉(zhuǎn)換表進(jìn)行操作，需要進(jìn)行查找，替 換,所以對(duì)分配器的要求很高。3.2.4DNS 法DNS法主要是通過(guò)域名解析來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)域名解析時(shí)，分配器根據(jù)負(fù)載均衡 算法，確定給該用戶提供服務(wù)的服務(wù)器，返回該服務(wù)器地址。采用這種方

10、法， 將用戶與一個(gè)服務(wù)器相連接，大大降低了分配器的工作量，有效緩解了分配器瓶 頸的問(wèn)題，簡(jiǎn)單易行。4結(jié)束語(yǔ)鐵路信息系統(tǒng)應(yīng)用在不斷的發(fā)展和變化，為適應(yīng)鐵路應(yīng)用結(jié)構(gòu)變化的需求，需要采用負(fù)載均衡技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用負(fù)載均衡設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路、網(wǎng)閘和防火 墻的流量及不同負(fù)載均衡設(shè)備組之間的相互映射等問(wèn)題。在采用上述方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意對(duì)服務(wù)器負(fù)載狀況的探知和服務(wù)器負(fù)載 狀況的評(píng)價(jià)。使統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)即使在數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況下，也能保持較高的數(shù)據(jù)可 信度，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的訪問(wèn)流程和特點(diǎn)，選擇合適的參數(shù)，設(shè)計(jì)出合理、科學(xué)的 負(fù)載均衡構(gòu)架，達(dá)到鐵路信息系統(tǒng)負(fù)載均衡的最佳使用效果。在今后的設(shè)計(jì)和使用中，還應(yīng)對(duì)負(fù)載均衡技術(shù)做出深入的挖掘和研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)鐵路信息系 統(tǒng)的