網絡的普及使各類電子商務、電子政務網站的流量劇增，系統(tǒng)瓶頸問題日益嚴重，直接影響了用戶請求的響應時間，在高峰期有的請求甚至被拒絕。面對這種情況，一般來說有兩種解決方案：一是升級硬件、購買性能更好的服務器等，但花費較多，而且效果不一定很理想，顯然不是最好的解決方案；二是利用集群技術，在原有的硬件投資基礎上，添加幾臺新的服務器，組建負載均衡集群系統(tǒng)。集群計算模式是比較經濟的計算模式，允許用戶把普通商用硬件系統(tǒng)組成機群，并根據(jù)需要隨時增加新的硬件。既提高了系統(tǒng)的性能，同時也降低了成本。本文簡要地討論了一個用于企業(yè)Web服務的集群系統(tǒng)的設計思路，并給出了重點模塊的設計與實現(xiàn)過程。

1．集群技術

集群技術是一種計算機系統(tǒng)之間連接的方式，運用它可以將分散的計算系統(tǒng)連接起來完成原來單獨節(jié)點的計算系統(tǒng)無法完成的任務。最早的集群系統(tǒng)就是出于這樣的并行處理的目的出現(xiàn)的。但是隨著計算機性能的快速發(fā)展和網絡不安全因素的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是主要面臨解決的問題。于是開始使用集群方式將兩臺以上的設備連接起來，當整個集群系統(tǒng)中發(fā)生單點或局部多點故障時，集群中其他的計算機將自動來接替出故障的設備。最典型的例子就是雙機熱備份，兩臺一樣的計算機系統(tǒng)，使用集群軟件連接起來，其中一臺作為另一臺的備份，當主機系統(tǒng)崩潰時，另一臺來接替它的任務。除此以外，利用集群系統(tǒng)的高并行性能進行復雜的科學、工程計算，也是非常有經濟價值的做法。

集群技術可以有效地解決開放系統(tǒng)的穩(wěn)定、抗壓和負載平衡問題，建立一個集群系統(tǒng)的主要目的在于：

（1）現(xiàn)有的應用得以保障。

（2）提高性價比。

（3）實現(xiàn)資源共享。

（4）提高靈活性和可擴展性。

（5）增強實用性和容錯性。

（6）靈活的可伸縮性。

2．設計目標及系統(tǒng)架構

設計一個基于Linux的集群系統(tǒng)，它能夠不斷監(jiān)視集群中各臺服務器的負載狀況，并且將來自外網的Web請求轉發(fā)到內部網中的某一臺實際服務器上執(zhí)行。具體來說，擁有以下的功能：

（1）服務轉發(fā)。能接受來自外部網中的多種基于TCP／IP的服務請求，并將它們轉發(fā)到當前負載最輕的機器上執(zhí)行。

（2）動態(tài)負載平衡。平衡器能夠監(jiān)視內部網中的實際服務器的負載狀況并且找到負載最輕的機器。

（3）連接持續(xù)性。來自外網的同一客戶的所有請求必須轉發(fā)到內網中的同一臺服務器上進行處理。

該集群系統(tǒng)由調度機、服務器1、服務器2以及服務器N等機器組成。其中調度機作為內網和外網的接口。能夠接收外網的用戶請求．并將此用戶請求發(fā)送到服務器1到服務器N中的某臺機器上，當服務器處理完該請求以后，就將處理完的結果發(fā)送給調度機，然后再由調度機將結果返回給外部網的用戶。試驗環(huán)境中外網中的客戶機器的IP地址為211．80．248．100，調度機有兩個IP地址，一個是外網的211．80．248．99。一個是內網的192．168．1．1。調度機上運行的操作系統(tǒng)內核為Linux2．2.x。內部網中有N臺服務器，IP地址分別為192．168．1．2、192．168．1．3.。.192．168．1．N，上面運行的操作系統(tǒng)也是Linux操作系統(tǒng)．都將192．168．1．1設為網關．并且都增加了通往211．80．248．0網絡的路由。負載調度的目的就是將客戶發(fā)向調度機的請求按照內網機器當前負載的情況分發(fā)到各個服務器上。

系統(tǒng)實現(xiàn)了IP級的負載平衡。當外網客戶向調度機發(fā)送一個請求時，在調度機的IP層對此請求的目標地址進行替換．將目標地址替換為內網中負載最輕的服務器的IP地址。然后將此請求再次轉發(fā)出去。當內網中的服務器處理完請求后．將處理結果發(fā)往調度機，調度機再次在IP層將目標地址替換為發(fā)出請求的外網中的客戶的IP地址。然后將回應轉發(fā)給客戶。

系統(tǒng)主要分為IP偽裝模塊、IP端口轉發(fā)模塊和調度模塊。其中IP端口轉發(fā)模塊的實現(xiàn)比較簡單。只需在Linux的某個內核文件中增加適當?shù)霓D發(fā)規(guī)則，并調用IP偽裝模塊的功能就能實現(xiàn)，因此文中沒有詳細介紹該模塊。

3．IP偽裝

IP地址中的那些私有地址是無法直接與Internet上的機器通訊的，如果它們想與Internet上的機器通訊，需要采用網絡地址翻譯（NAT）機制。IP偽裝機制實際上就是一種M-1的動態(tài)網絡地址翻譯，它能夠將多個內網中的IP地址映射到一個與Internet相連接的外網IP地址上，這樣無法直接與Internet上的機器通訊的內網機器就可以通過這臺映射機器與外界進行聯(lián)絡。網絡地址端口翻譯是對網絡地址翻譯的一種擴展。它將許多網絡地址以及TCP／UDP端口翻譯為一個IP地址和TCP／UDP端口，本集群系統(tǒng)采用的就是網絡地址端口翻譯機制。為了使Linux支持IP偽裝，必須重新編譯Linux內核并安裝、激活IP偽裝模塊。

IP偽裝模塊的主要工作包括：

（1）接收內網發(fā)向外網的所有請求。

（2）內網中的連接請求通過調度機轉發(fā)到外網。

（3）將內網發(fā)向外網中的所有請求的源地址隱藏，使所有請求看上去都是由調度機發(fā)送的。

（4）建立HASH表來記錄已經建立的所有連接。

（5）接收外網對請求的回應并將其轉發(fā)到內網中的發(fā)出請求的機器上。

4．調度模塊

調度模塊是在應用層實現(xiàn)的，因為在應用層可以靈活地控制調度策略，可以采用靜態(tài)的調度策略，也可以采用動態(tài)的調度策略；同時可以提高系統(tǒng)的可擴展性，當Web站點的訪問量增大時，需要添加一臺新的服務器時，只要在應用程序中增加一項數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)。調度模塊的主要任務包括：

（1）調度機向各臺實際服務器發(fā)送收集負載信息的命令。

（2）各臺實際服務器分別運行獲取CPU運行隊列長度的程序。

（3）各臺機器將各自的CPU運行隊列長度信息回傳給調度機。

（4）調度機對各臺機器的CPU運行隊列長度進行比較，并選出CPU運行隊列長度最短的機器，認為此機器就是負最輕的機器。

（5）通過系統(tǒng)調用將負載最輕的機器的IP地址傳入IP端口轉發(fā)模塊。

5．總結

本集群系統(tǒng)實現(xiàn)了IP級的負載平衡，對IP報文進行目標地址改寫的工作主要在核心完成。這是因為這樣速度很快，省掉了從用戶到核心的通訊過程。該負載平衡系統(tǒng)主要具有以下功能：

（1）能夠對基于TCP／IP協(xié)議的多種服務如telnet、ftp、http等進行轉發(fā)。

（2）通過找出內網中當前負載最輕的服務器來響應用戶的請求，實現(xiàn)動態(tài)負載平衡。

（3）通過匹配Hash表項，來自同一個服務的多次請求能發(fā)送到同一臺內網的實際服務器上，保證連續(xù)性。

（4）能夠保證毫秒級的響應時間。

（5）用戶可以在應用程序中對內網的服務器的數(shù)目進行控制，具有良好的可伸縮性

（6）當某臺服務器出現(xiàn)故障時，能夠及時地發(fā)現(xiàn)，具有良好的容錯性。

當然，該系統(tǒng)還有很多需要完善的地方。如調度機應該雙機備份等等。在大型的應用級集群服務系統(tǒng)的實施過程當中，設計人員需要考慮更多的要素：業(yè)務資源設計、資源監(jiān)測、負載均衡、故障轉移管理、可靠性、可用性和性能等若干方面。