分布式系统负载均衡关键技术及其发展脉络

邹盼盼

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心 湖北省 武汉市 4300470）

摘 要：随着计算机水平和控制需求的不断提高，一些大型的系统产生了海量的数据访问和存储，这些给系统和服务器带来了巨大的压力，并且各节点处理能力不同，随着系统的运行，节点的任务分配不均，造成部分节点重载、轻载或空载，基于此，必须采取负载均衡的措施，本文主要对分布式系统负载均衡的关键技术及其发展脉络进行分析，并从分析结果中得到了有益的结论。

关键词：负载均衡；静态；动态

1.引言

负载均衡，就是将工作任务分摊到多个操作单元上进行执行，例如服务器等，从而共同完成工作任务。而分布式是指将不同的业务分布在不同的地方，分布式的每一个节点，都完成不同的业务，一个节点垮了，那这个业务就不可访问了，为了让多节点能更好的完成任务，尽量消除或避免现有的网络负载分布不均，数据流拥挤，反应时间长的问题，人们提出了多种负载均衡的算法，主要为静态负载均衡算法和动态负载均衡算法。

2.分布式系统负载均衡关键技术及其发展脉络

分布式负载均衡技术是网络技术飞速发展的关键技术，并且是提高服务器的数据处理能力及网络的灵活性和可用性的重要方法。关于分布式负载均衡领域的技术主要细分为：静态负载均衡算法、动态负载均衡算法、静态与动态相结合的算法，其中，静态负责均衡在进行负责均衡时不需要知道集群中当前各结点的负载状态，只是根据集群中各结点处理能力上的差异，按事先确定好的分发策略将任务相应地分配到各个服务器，而动态负载均衡通过应用软件实时地分析数据包，获取集群中各服务器的当前负载状态及数据流量状况，把任务动态地合理地分配到各个服务器，而随着需求的增长和技术的发展，出现了结合静态和动态的负载均衡技术。通过对分布式系统负载均衡技术的发展脉络路线进行研究，有助于了解分布式系统负载均衡技术的发展历史和现状，并且预测未来的发展方向。

2.1静态负载均衡技术分析

静态负载均衡是早期的分布式系统负载均衡技术，它根据系统的先验知识做出决策，而忽略系统当前的负载状况，经常用于任务比较确定的情况下。主要技术的核心专利如下：

（1）轮询算法：CN1507225A（华为技术有限公司2002年申请）公开了一种实现通信设备高速端口的装置，该装置使用负载均衡算法，将从高速总线接口模块接收的高速数据流均匀地负荷分担为N路数据，分别发送给N个低速总线接口，在下行將从N个低速总线接口接收的N路数据轮询发送给高速总线接口模块。

（2）比率算法：CN1570903A（华为技术有限公司2003年申请）公开了一种服务器负载均衡方法，本方法基于服务器权值和概率统计原理实现负载均衡，利用本发明，既可保证较快的负载均衡调度速度，从统计角度上也使得权值高的服务器提供较多的接入服务次数，从而实现高性能的网络转发。

（3）优先权算法：CN1450765A（日本电气株式会社2003年申请）公共了一种用于向多个内容服务器中的一个客户端分配内容发送的服务器负载平衡系统，通过至少使用所述内容的特性以及资源信息，优先级别被设置在向其传送由客户端接收的所述内容发送请求的各个内容服务器中，并且根据所述资源信息的变化重新设置优先级别。

2.2动态负载均衡技术分析

随着动态、多媒体网络信息的大量应用，静态的权值信息不能表现动态的负载特征，随着系统运行时间的增长，将导致集群负载分布的不平衡，此时动态负载均衡技术应运而生，动态负载均衡主要适用于大规模的、异构的、提高动态网页信息服务的系统，相对于静态负载均衡，它具有更大的灵活性和针对性，是后期研究的热点。主要技术的核心专利如下：

（1）最少连接数算法：CN1567173A（华为技术有限公司2003年申请）公开了一种加权最小连接数调度的服务器负载均衡方法，负载均衡调度时，遍历所有所述近似地表示当前服务的负载状况的所述状态中的第一预定的数据项，选择最小的第一预定的数据项所对应的服务器接入，同时修改数据项，利用本发明的方法，可以减少负载均衡调度的运算量，加快调度速度。

（2）哈希算法：CN102033938A（天津神舟通用数据技术有限公司2010年申请）公开了基于一种二级映射的方法来实现满足负载均衡的动态扩展技术，本发明使用了二级映射方法，既保留了集群中常用的hash分发方法的数据分布负载均衡特点，又支持了动态扩展的需要，同时利用了元数据库的事务特性保证了对二级映射表更新时的读写隔离性，保证了扩展的动态在线。

（3）自适应算法：CN102279771A（北京航空航天大学2011年申请）公开了一种虚拟化环境中自适应按需资源分配的系统及其方法，1-PM：N-VM模块根据实时收集的用户体验进行一台物理机上资源的分配，动态感知请求分发模块根据监测的应用请求负载信息和虚拟机容量信息把负载分发到合适的虚拟机上对请求进行响应，数据中心全局管理模块根据收集的物理机资源负载信息决定是否需要虚拟机在物理机之间进行迁移以重新进行放置，在物理机过量或不足时是否向空闲资源池释放或申请新的物理机以退出或加入应用的服务。

（4）动态性能分配算法：CN101256515A（浙江大学2008年申请）公开了一种多核处理器操作系统负载均衡的实现方法，是通过对多核处理器操作系统运行时，对负载情况进行检测，并根据检测的负载情况对线程进行分配，本方法实现多核处理器操作系统负载的均衡，从而提高多处理器核的执行效率。

2.3结合静态和动态的负载均衡技术分析

结合静态和动态地负载均衡是介于静态负载均衡和动态负载均衡之间的一种平衡策略，对于已确定的任务采用静态策略，对于随机的、不可预见的任务采用动态策略。相关的核心专利如下：

CN103401939A（中国航天科工集团第三研究院第八三五七研究所2013年申请）公开了一种采用混合调度策略的负载均衡方法，本发明采用混合调度策略实现了动态和静态分配的结合，能使系统资源消耗和负载均衡性能达到一个动态的平衡；负载指标评价全面，综合考虑了单个节点自身各性能参数的使用情况和集群中不同节点的性能差异；服务器权值设置更加符合实际情况。

3.结论

随着计算机水平和控制需求的不断提高，面对大型的系统中海量的数据处理需求，在保证高资源利用率和网络吞吐量的同时，还需要保证各计算节点的负载均衡，为此分布式系统负载均衡技术经历了从静态负载均衡到动态负载均衡，再到结合静态和动态的负载均衡的阶段，从而既能得到较好的负载均衡效果，又不会因为算法比较复杂进而产生一定的额外开销，即有效地提高分布式系统的性能和效率。

通过分析分布式系统负载均衡技术发展及其未来的发展趋势，除了使得社会公众对分布式系统负载均衡的技术有了宏观的了解与把握，并且可供本领域技术人员研发时参考，还有利于审查员在审查实践中准确把握此类专利技术所处的发展阶段，提高检索效率。

参考文献

[1]郭辉，王智广，周敬利.异构分布式系统中基于负载均衡的容错调度算法[J].计算机学报，2005，28（11）：1807-1816.

[2]陈涛，肖侬，刘芳.对象存储系统中自适应的元数据负载均衡机制[J].软件学报，2013，24（2）：331-342.