云计算环境下基于服务质量的数字图书馆负载均衡机制研究*

陈 臣 高 军

云计算环境下基于服务质量的数字图书馆负载均衡机制研究*

陈 臣 高 军

云计算环境下，运行大规模并行任务容易造成数字图书馆服务系统负载不均衡和运营效率低下。为了实现云环境下虚拟资源的高效调度和满足用户对服务质量的需求，论文提出了一种云环境下基于服务质量的数字图书馆负载均衡机制，该机制能有效实现数字图书馆云计算系统中的负载均衡和保证具有较高的运营效率。

云计算服务质量数字图书馆负载均衡机制

0 引言

2012年12月24日，亚马逊公司开发人员在维护位于美国东海岸的网络服务弹性负载平衡系统（ELB）时，因意外删除了云服务上流量分配系统的相关数据，造成亚马逊云计算服务在圣诞夜中断，导致Twitter、FoureSquare、Reddit等多家公司业务受到了不同程度的影响。因此，云服务商的弹性负载平衡能力和服务可持续性，对图书馆云服务有效性和读者满意度有较大影响。

随着读者云阅读模式的转变与服务要求的提高，云图书馆数据中心服务负载量呈现级数激增趋势。在保证读者云阅读QOS需求的前提下，如何通过高效的负载均衡策略，均衡云图书馆服务器负载量、优化网络拓扑结构和增强数据处理能力，以及提高云图书馆对读者大量并发访问服务的处理能力和效率，是保证图书馆云服务安全、高效、经济、灵活与可扩展的前提，同时也是提高云服务读者满意度和增强市场竞争力的关键[1]。

1 云图书馆负载均衡存在的问题与需求

1.1 提高数据中心硬件设备的服务支撑能力

云计算环境下，图书馆云服务模式和运营方式将随着读者云个性化阅读需求的发展而转变。此外，图书馆云数据中心的服务负载和数据流量将呈现快速增长模式，其服务内容与服务模式复杂化将是图书馆云服务发展的另一个趋势。因此，必须通过有效的负载均衡策略，为不同云平台和云服务模式提供所需的负载均衡保障。在均衡云图书馆数据库、HTTP、应用与服务管理系统、电子邮件、博客、安全系统、代理服务器等硬件设备负载前提下，还应保证均衡方案具有较高的容错性和可用性[2]。

因为采用科学的负载均衡策略来降低对数据中心硬件设备性能要求，减少对硬件设备功能扩展和服务成本投入的需求，是云图书馆高效、经济运营的前提。其次，云图书馆在服务过程中的能源消耗，是决定云图书馆服务效率与成本投入的关键。如何依据云图书馆年度和每日服务负载量的周期变化规律，通过负载整合技术，在数据中心全局实现服务器空闲节点的休眠和能耗优化管理，是减少硬件设备服务成本的重要因素。第三，读者要求图书馆云阅读服务具有灵活性、可靠性、经济性和可扩展性。

1.2 确保云个性化服务具有较高可用性

云图书馆读者个性化服务的可用性，是判定图书馆云服务有效性和质量的关键因素。首先，云图书馆应通过负载均衡技术对服务器的TCP连结进行优化，按照用户权限和TCP连结重要性，对服务器的TCP连结进行优先级判定，并通过减少服务器不必要的TCP连结来提高服务器反应速度。其次，负载均衡策略可在云数据中心全局范围动态均衡服务器的负载，并提升云数据中心服务器整体云个性化阅读服务能力。避免当出现大量突发连接请求时，因服务器自身性能不足而产生服务瓶颈。第三，利用负载均衡策略保证云个性化服务具有较高的安全性。当数据中心服务负载激增或服务器发生故障时，应通过可靠的负载均衡策略，实现数据中心服务器之间的动态负载分担和负载迁移。此外，管理员可根据读者云阅读服务安全需求，对所均衡、分流的可疑负载数据流进行检测，并为云服务系统定制个性化的安全管理策略[3]。

1.3 云图书馆负载均衡可管理的需求

为了保证云图书馆负载均衡过程安全、高效、可控和易操作，应重点加强负载均衡管理方式的科学性和步骤的有效性建设。

首先，云计算环境下，可根据云基础设施的结构特点、设备运营方式和读者云服务模式，采用软件或硬件实现负载均衡。因此，软件负载均衡管理系统是否易于安装、配置和维护，能否实现对负载均衡过程的完全监控，是软件负载均衡管理应考虑的问题。同时，对于负载均衡硬件管理的方式，应重点关注负载均衡硬件设备命令行接口对设备的配置和管理效率，图形用户接口的用户使用友好性，以及负载均衡硬件设备是否支持SNMP（简单网络管理协议）等。其次，为了减少云图书馆服务响应和数据传输时延，在云数据中心服务负载和硬件设备均衡管理过程中，须坚持就近管理和先近后远的原则，应确保负载均衡管理过程的安全性和有效性，实现管理系统和被管理设备所处的地理位置无关。第三，应加强对云服务有效性和读者云阅读满意度关键节点的负载均衡和监控，避免关键部位发生单点失效现象[4]。

1.4 实现云图书馆QoS与云资源利用率的最优配置

QOS是判定云图书馆用户服务能力与读者云阅读满意度的重要指标。云图书馆在读者服务过程中，如果过分追求QOS指标而忽略服务过程中云资源的消耗和利用效率，将会导致服务效率下降和运营成本激增。

因此，云图书馆在服务负载均衡过程中，首先，在保证读者云个性化服务QOS的前提下，应重点关注负载均衡在云图书馆服务能力和运营经济性方面带来的收益。其次，云图书馆在用户服务过程中，当关键服务节点发生任务超载情况时，应将超载任务转移给其它闲置节点处理，保证负载迁移和虚拟机调度过程占用较少的系统资源。第三，云图书馆QOS与云资源利用率最优配置策略的制定，应结合云图书馆数据中心资源总量和已使用量、用户SLA（服务品质协议）需要、负载均衡策略对服务质量的影响、负载均衡策略有效性等因素，防止负载均衡策略在执行过程中给系统带来额外的负担[5]。

2 云图书馆负载均衡流程与策略设计

2.1 云图书馆负载均衡与虚拟机调度流程设计

为了增强读者云服务能力和提高用户云个性化阅读质量，云图书馆通常会在全球不同的地域建设若干个云数据中心，并结合每年不同季度和每日不同时间服务负载量变化特点，在云数据中心全局层面进行云服务负载均衡与虚拟机调度。

依据服务节点云服务负载数量，可将云图书馆服务负载划分为正常负载、轻度过载和重度过载三种状态。结合服务负载实际和读者云阅读QOS需求，本文设计的云图书馆负载均衡与虚拟机调度流程如图1所示。

图1 云图书馆服务负载均衡与虚拟机调度流程

首先，当云图书馆检测、接收到来自读者的云服务和云资源分配请求后，云图书馆将负载总量发送至负载管理与监控系统，对负载进行正常范围、轻度过载和重度过载三种状态的判定。其次，根据判定结果向虚拟机调度与负载均衡系统，发送服务负载均衡与虚拟机资源分配请求。同时，进行虚拟机资源调度与负载均衡需求评估，并制定相应的负载均衡策略，在云数据中心全局范围内进行负载均衡。第三个步骤则是将均衡后的负载状态变化情况发送到负载管理与监控系统，进行负载均衡有效性的判定。如果负载均衡有效性判定结果为轻度过载或者重度过载，则将均衡后服务负载的状态发送至虚拟机调度与负载均衡系统，进行负载的二次均衡评估。依据评估结果制定科学的负载二次均衡策略，并在数据中心全局范围内进行均衡，直到服务负载达到正常标准[6]。

2.2 云图书馆服务负载均衡策略设计

2.2.1 选择正确的负载均衡模式

云图书馆服务负载分布于云数据中心全局范围，具有数据量大、突发性强、不易均衡和关系云服务有效性的特点。因此，应根据云图书馆位于全球不同地域的数据中心负载分布、产生特点，以及读者云服务需求和云图书馆运营效率，采取硬件和软件均衡相结合的方式，在云图书馆数据中心全局范围实现负载均衡。

对于读者群数量少、负载轻、无突发性负载的小规模云数据中心系统，应采取具有较少建设成本和较高均衡效率的基于软件负载均衡模式，实现云图书馆负载均衡成本投入和有效性的最优化配置。而对于规模庞大、服务负载总量多、负载产生突发性强和服务质量要求高的云图书馆，则应采取硬件均衡和软件均衡相结合的原则。在全局范围内，对位于不同地域的数据中心服务器和外部网络节点安装硬件负载均衡设备，并对网络传输负载和服务负载进行自动、智能化的流量和负载均衡管理。管理员在研发、购买负载均衡管理系统时，应注重管理系统对云服务负载数据的采集、统计、分析和预测能力。确保在数据处理、存储和分析过程中，具有较高的智能、自动化水平。云图书馆负载均衡模式的选择，应符合云服务负载未来的发展趋势，满足云图书馆网络系统、数据中心服务能力、读者云阅读的需求，确保均衡模式易于控制、管理、操作和扩展，可实现负载均衡模式的个性化定制和选择[7]。

2.2.2 采取先本地后全局的负载均衡策略

云图书馆在数据中心设计、建设中，会根据云数据中心服务系统负载总量、读者云个性化服务要求、服务负载变化规律和云资源需求，以向云服务商租赁云基础设施资源的方式建设云图书馆，为读者提供云个性化阅读服务。因此，如何在全局层面合理规划、部署云数据中心，实现云服务负载的有效均衡，是确保云资源租赁投资高效和读者个性化服务收益最优配置的关键。

首先，在云图书馆数据中心所处地域选择上，应结合云服务商服务接入点位置、读者群分布与阅读需求特点、服务数据传输网络性能和服务成本组成等，坚持服务负载与网络传输负载均衡的原则，在全球范围合理部署云图书馆数据中心，确保服务网络拓扑结构安全、科学、高效、经济。其次，云图书馆负载均衡过程应坚持先本地后全局的原则，在较少的设备与管理成本投入，以及不改变数据中心系统与网络拓扑结构的前提下，高效、快速地将服务与网络传输负载在本地区域内实现服务器集群负载均衡。而对于个别突发服务负载量较大的数据中心，则坚持就近均衡的原则，将服务负载迁移至相邻云数据中心。第三，在全局负载均衡过程中，应保证负载迁移与地理位置无关性，可为用户提供远距离的透明负载均衡服务[8]。

2.2.3 云图书馆网络系统的负载均衡

云计算环境下，随着图书馆云服务模式和服务内容的转变，数据中心区域网络和用户数据传输网络的数据流量将不断增大。云图书馆网络系统负载均衡的有效性、灵活性和可靠性，成为决定读者云服务数据传输效率和服务性能的关键因素。因此，必须对云图书馆网络系统进行有效的负载均衡，不断提高云图书馆读者服务网络的数据传输与用户服务能力。

制定并执行有效的负载均衡策略，是实现云图书馆网络系统多个服务器、交换设备和数据传输链路聚合管理，提高网络系统负载均衡有效性的前提。云图书馆网络系统具有拓扑结构复杂、不同服务器集群网络传输性能差异大、网络交换节点易产生传输瓶颈和虚拟化网络管理难度大的特点。因此，首先可针对不同服务器集群特点，制定个性化的网络负载均衡策略，保证所有服务器集群网络内部传输负载均衡。此外，应将所有单一服务器集群网络集合成一个大的网络系统，并在全局角度执行混合型负载均衡策略，保证系统网络全局数据传输高效、均衡。其次，网络系统对服务器数据分发的科学性和效率，也是决定服务质量的关键因素。可根据服务数据对图书馆云服务性能和读者云阅读活动满意度的影响程度，以及服务器自身的数据处理能力，为服务器设置不同的数据传输优先权重。并按照服务器权重值大小和排队的原则，实现网络数据传输和服务器运行负载均衡。第三，应建设高效的网络传输负载监控系统，实现网络系统负载监控、管理、反馈和控制[9]。

2.2.4 实现准确的负载状态检测和均衡反馈控制

及时、准确地进行负载状态检测和均衡反馈控制，是图书馆精确判断云服务负载状况，和根据负载实际制定、执行高效均衡策略的前提。也是实现数据中心服务器负载信息快速判定和节点负载均衡，保证云阅读服务安全、高效、经济、可控的关键。

在对图书馆云数据中心服务器系统、网络传输系统和运营管理系统的负载水平评估中，应重点考虑硬件设备CPU利用率、CPU任务等待队列长度、内存大小和已使用量比例、可用存储磁盘空间、I/O传输效率、网络传输效率和负载量、用户云阅读满意度等因素。并在云数据中心全局层面上关注不同节点在负载处理能力上的差异，依据各子指标对云图书馆综合服务能力和读者云阅读活动满意度的影响力，赋予不同的权重因子。

云图书馆负载均衡过程中，应坚持均衡过程高效、快速、经济和准确的原则。在云数据中心全局层面采用加权轮询的策略，负载均衡过程中应坚持读者服务第一的原则，优先关注对云图书馆服务有效性、可靠性、读者云阅读愉悦感、可持续发展影响较大的服务器集群和设备，按照服务器集群实际负载量和处理能力进行负载均衡和云资源分配，保证云图书馆整体运营高效、安全。而对于服务器集群内部设备的负载均衡，应采用服务负载量最轻的策略，优先把请求分发到负载量最轻的服务器，并对各服务器运行过程的负载量进行监控，通过负载量反馈数据实现动态均衡。

3 结语

随着图书馆云服务模式的不断变革和读者云阅读需求的提高，云数据中心服务负载量在云服务中将会呈现快速增长态势，要求云图书馆具有超级计算、海量存储、高效传输和经济低碳的特点。然而，以往通过购买硬件设备、增加网络带宽、限制读者需求和降低服务标准的方式来解决服务负载激增问题，将会导致云图书馆建设与运营成本上升，以及用户服务质量和满意度下降。因此，只有将云图书馆服务负载实际和读者需求相结合，立足云数据中心运营能力制定科学、高效、经济、易控的负载均衡策略，才能保证云数据中心安全、高效、经济、均衡，才能为读者提供满意的云个性化阅读服务[10]。

[1]李乔，郑啸．云计算研究现状综述[J].计算机科学，2011（4）：32-36.

[2]宋银，康慕宁，魏驰.基于云计算的作业管理系统CJMS的负载均衡的研究[J].计算机测量与控制，2013（2）：467-469.

[3]宋昕，宋欢欢．云计算环境下的流量控制和负载均衡策略[J].电子工程与设计，2011（6）：112-115.

[4]程春玲，张登银，徐玉，等.一种面向云计算的分态式自适应负载均衡策略[J].南京邮电大学学报：自然科学版，2012（4）：53-58.

[5]姚婧，何聚厚．基于模糊聚类分析的云计算负载平衡策略[J].计算机应用，2012（1）：213-217.

[6]刘万军，张孟华，郭文越．基于MPSO算法的云计算资源调度策略[J].计算机工程，2011（11）：43-48.

[7]朱晓敏，陆佩忠．异构集群系统中安全关键实时应用调度研究[J].计算机学报，2010（12）：2364-2377．

[8]乔付，张国印，何鸣.信任机制与计算性能网格任务调度策略[J]，计算机工程与应用，2010（3）：72-75.

[9]段赵磊，古志民.一种自适应的网络代理集群负载均衡策略[J]，计算机工程，2010（1）：97-101.

[10]张兴旺，李晨晖，秦晓珠.基于云计算的数字化信息资源建设模型的研究[J].情报理论与实践，2011（8）：100-105.

陈臣兰州商学院副教授。甘肃兰州，730020。

高军兰州商学院网络中心工程师。甘肃兰州，730020。

Load-Balancing Mechanism for Digital Library Based on QOS under the Cloud Computing Environment

Chen Chen，Gao Jun

Large parallel tasksmay cause the load unbalanced and inefficient for the service system of digital library under the cloud computing environment.In order to realize the efficient scheduling of virtual resource under the cloud computing environment and meet the users'needs to QOS（Quality of Service）,this paper proposes a load-balancingmechanism for digital library based on QoSunder the cloud environment,which can ensure the load balancing and efficient performance in the cloud computing systems of digital libraries.

Cloud computing.QOS.Digital library.Load-balancingmechanism.

G250.76

2013-06-20 编校：刘勇定）

*本文系2012年教育部人文社会科学青年基金项目“云计算环境下数字图书馆云服务信息化平台架构策略与用户服务模式研究”（项目编号：12YJC870019）的研究成果。