一种基于负载均衡的网络架构设计

龚文涛， 郎颖莹， 夏凌云

(1. 中国石油大学(华东) 网络及教育技术中心, 青岛 266580； 2. 中国石油大学(华东)教育发展中心, 青岛 266580)

一种基于负载均衡的网络架构设计

龚文涛1， 郎颖莹2， 夏凌云1

(1. 中国石油大学(华东) 网络及教育技术中心, 青岛 266580； 2. 中国石油大学(华东)教育发展中心, 青岛 266580)

针对校外访问教育网时网站速度慢的问题，分析和总结了运营商和教育网的架构层次，分析和总结了不同运营商之间的访问流程，提出了一种基于负载均衡的网络架构设计，通过将同域名的网站解析为不同运营商网络内的IP地址，来提升不同运营商访问校内资源的速度和质量。

运营商； 访问； 负载均衡

0 引言

随着互联网技术的迅猛发展[1、2]，特别是信息技术的日新月异，让人们的生活和以往发生了巨大变化，远程视频会议、办公自动化、在线视频聊天、GPS导航等新技术一定程度提高了工作效率，提升了生活质量，这一切和网络和信息技术密不可分。而网络的载体，离不开网络运营商，网络运营商俗称网络提供商。

网络运营商为广大的互联网用户提供各种多媒体服务和应用平台和各种网络资源，提供各种域名服务等，针对中国来说，目前有影响力的网络运营商有诸如中国联通、中国移动、中国电信，其为企业和家庭用户提供了丰富的网络资源和应用平台，一定程度改变了生活和休闲方式。而存在的问题是，当联通网络环境下要去访问移动网络中资源和平台的时候，速度和质量往往不及访问联通网络内部的相关资源，这说明，是网络运营商之间的互联互通依然需要进一步的强化和优化[3]。

除中国联通、中国移动及中国电信外，还有一个有着巨大影响力的网络，也即中国教育和科研计算机网CERNET(The China Education and Research Network)，又称教育网。教育网主要面向全国的教育领域中各个教学管理部门、各个学校及二级科研单位，是由国家投资建设，由教育部负责管理，依托清华大学等高等学校来建设和管理运行的全国性学术计算机互联网络。教育网是全国最大的公益性互联网络，是开展现代教育的重要平台，依托教育网，将整个教育行业互联互通[4]。

针对高校来说，一般高校都配备了教育网，教育网为高校的广大教工和在校大学生以及科研人员提供了一个相对稳定和资源丰富的网络计算环境，强化了高校之间的链路互联和资源共享，强化了高校领域的信息交流和资源共享及科研合作[5、6]。

高校依托校园网，进一步推动信息化建设，进一步提升了高校信息化集成水平。各种有独具高校特色教学网站和应用平台应用而生，广大高校教师、教学管理人员、科研人员及大学生们均能够通过教育网查询教学信息，高校老师可以通过教育网来查询教务处课程安排计划、教学大纲及最新通知等；科研人员可以通过教育网来查询科研管理平台中各个科研项目的研究进度及科研前沿信息；教学管理人员能够通过办公平台查询最新各项工作安排和进度等，学生可以通过教育网查询自己的成绩及课程任务及学校新闻等。

基于教育网下的应用系统集成平台和网站，访问需求最为强烈，访问最为频繁，如何进一步改善在其他网络运营商环境下访问教育网资源的体验成为一个研究热点和难点，针对此，基于负载均衡思想的解决方案是一种尝试，基于此能通过域名映射将同一个域名解析成为不同的运营商下的IP，一定程度能够提升访问效率和用网体验，本文提出一种基于负载均衡的网络架构设计，分析和总结了目前网络运营商和教育网的网络架构层次关系，及互联互通存在的一些问题，提出了基于不同网络运营商出口的负载均衡的网络架构，通过域名和对应IP的映射提升其访问体验。

1 运营商层次架构和访问流程概述

1.1 运营商层次架构

教育网运行着四级管理机制，从核心到接入依次是全国教育网网络中心；教育网地区网络中心和教育网地区主结点；省教育网教育科研网；校园网。CERNET目前已基本具备了连接全国大多数高等学校的联网能力，并完成了CERNET主干网的升级扩容、建成了一个大型的教育和科研计算机网，随着教育网的不断发展和深入应用，新一代教育网将逐步成为未来教育信息化的基础。

普通运营商常见的是三层管理机制，从核心到接入依次是主干网络运营商；地区网络运营商；本地网络运营商。

教育网及教育网平台下的各种集成应用系统极大程度方便了广大师生的学习和生活，一定程度推进了教学信息化。教育网也有局限性，覆盖领域有局限性，其覆盖范围仅仅针对高校等教育领域，所以，针对学校内部和教育网内部，无论是访问速度和用网体验均相对较好，而一当教工和学生在非教育网涵盖的地域访问教育网资源，因为教育网和网络运营商之间的互联互通的瓶颈，会导致很多高校教工和学生的在运营商网络下访问教育网资源的速度和质量需要进一步改善。

1.2 运营商访问流程

运营商内部访问流程和跨运营商的访问流程，如图1所示。

图1 运营商访问流程图

假设有在联通网络运营商下的用户丙，其分别需要访问在联通运营商下的服务器乙和教育网下的服务器甲，用户丙访问同运营商下服务器乙的流程如下：

用户丙→本地联通网络运营商→联通地区网络运营商→联通主干网络运营商→联通地区网络运营商→本地联通网络运营商→服务器乙。

其网络流量和环节仅仅限于联通网络内部，涉及环节少，访问速度相对快。

用户丙访问教育网下服务器甲的流程如下：

用户丙→本地联通网络运营商→联通地区网络运营商→联通主干网络运营商→教育网主干→教育网地区主节点→教育网省级节点→高校→服务器甲

其网络流量和环节跨越了不同运营商，涉及多，访问速度相对慢。

2 基于负载均衡的网络架构设计

2.1 网络架构设计

负载均衡网络架构图，如图2所示。

图2 负载均衡网络架构图

为其配置了中国联通、中国移动、中国电信及教育网等主流网络出口，配置其域名和对应的IP等核心参数，能够完成其不同运营商访问同一个域名而解析对应运营商出口IP的功效，一定程度能够提升用户访问的网络体验，从而解决不同网络环境下访问教育网资源慢的问题。

架构中涉及到的中国联通、中国移动、中国电信及教育网的IP地址，均需配置出口的公网IP地址，因其需要发布网站，需要在相应主管部门按要求对公网的IP地址及80端口备案。

2.2 DNS配置步骤

在前面工作做好后，还需在学校DNS域名服务器上面添加的记录，将域名为sdns的解析扩展为NS记录此记录指定负责此DNS区域的权威名称服务器，依托NS(名称服务器)将其扩展为4个外网解析的IP地址，分别是指向中国联通、中国移动、中国电信、教育网等运营商的IP地址，为负载均衡的各个接口做准备。

sdns NS ns1.sdns.upc.edu.cn.

这个小区刚刚有过一起入室抢劫杀人案，如芸知道，许元生也怕得要死，当时拉着她的手都是哆嗦的，但他还是义无反顾地一直把她挡在身后。那一刻，她感受着他手里的温度，心中纠结了很久的东西，一点点软了下来，让她重新审视了自己的内心。

NS ns2.sdns.upc.edu.cn.

NS ns3.sdns.upc.edu.cn.

NS ns4.sdns.upc.edu.cn.

将upc.edu.cn域名服务器中对sdns解析权力交付给负载均衡服务器。该服务器上有针对性地配置中国联通、中国移动、中国电信及教育网等运营商的公网IP地址，且均需要开通80端口，以便发布网站。

在upc.edu.cn域名解析服务器上面，配置解析对应运营商的公网IP地址，其格式为：

ns1.sdns A 中国联通公网某IP

ns2.sdns A 中国移动公网某IP

ns4.sdns A 教育网公网某IP

这样针对同一个网站的域名，可以完成不同运营商下的源IP解析为不同运营商IP地址的功能，使其在同一个运营商下访问，减少了网络访问的环节，减少了跨不同运营商的边际路由的时间代价，提升访问速度。

2.3 网站发布流程

在负载均衡后台将需要发布的网站域名绑定在各个运营商的接口公网IP上，将需要发布的网站域名和服务器的虚接口的地址。

最后将服务器真实IP地址和端口绑定，添加服务器的真实IP地址，且打开对外的虚拟接口，开通80端口，最后保存。

2.4 测试步骤

配置完毕，通过Ping命令来测试负载均衡后的域名解析效果。

在教育网环境下，ping一个负载均衡的服务器的域名，其解析成教育网的IP地址。Ping的过程中解析域名如下：

正在 Ping htet.sdns.upc.edu.cn [222.195.191.138] 具有 32 字节的数据:

来自 222.195.191.138 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=62

来自 222.195.191.138 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=62

来自 222.195.191.138 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=62

在联通网环境下，ping一个负载均衡的服务器的域名，其解析成联通网的IP地址。Ping的过程中解析域名如下：

正在 Ping htet.sdns.upc.edu.cn (need true informa-tion)[124.129.172.43] 具有 32 字节的数据:

来自124.129.172.43 的回复: 字节=32 时间<10ms TTL=162

来自124.129.172.43 的回复: 字节=32 时间<5ms TTL=262

来自124.129.172.43的回复: 字节=32 时间<5ms TTL=362

通过Ping的简单实例，验证了从不同运营商的源IP访问同一个域名能解析对应的IP地址。

3 总结

本文分析和总结了运营商和教育网的架构层次，针对不同运营商访问教育网速度慢的问题，提出了一种基于负载均衡的解决方案，能够将不同主流的运营商下的访问同一个网站解析成运营商对应的IP地址，一定程度缓解了跨运营商网络访问环节多、速度慢的问题。

[1] 蒋江,张民选, 等.基于多种资源的负载均衡算法的研究[J] .电子学报,2002,30(8):1148-1152.

[2] VKumar,et al. Scalable load balancing techniques for parallel computers[J]. JPar Distr Comp,1994,22(1):60-79.

[3] China Education and Research Network [EB/OL]. 1993;1-10.

[4] Hill B. Cisco完全手册[M].北京:电子工业出版社,2002;2-25.

[5] R D Blumofe,et al. Scheduling multi-threaded computations by workstealing [J].JACM,1999,46(5) :720-748.

[6] M Y Wu. Onruntime parallel scheduling for processor load balancing [J] .IEEET Parall Distrib,1997, 8(2):173-186.

A Design of Load-balanced Network Architecture

Gong Wentao1,Lang Yingying2,Xia Lingyun1

(1.Internet and Education Technology Center,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,China; 2.Education Development Center,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)

In order to improve the speed of access to educational websites out side the school，the paper analyzes and summarizes the architecture levels of the internet service providers and education network, and analyzes the access process between different operators. The paper proposes a design of the load-balanced network architecture by changing the domain names into the different Internet service providers' IP to improve the speed of the access to the school website.

Internet service providera; Access; Load-balanced network

龚文涛(1984-)，男， 潜江人，中国石油大学(华东)网络及教育技术中心，工程师，工学硕士，研究方向：访问控制和网络安全 郎颖莹(1983-)，女，青岛人，中国石油大学(华东)教育发展中心，工程师，工学硕士，研究方向：在线教育、系统研发和网络安全 夏凌云(1980-)男，泸州人，硕士，工程师，研究方向：互联网技术、计算机软硬件技术和物联网技术

1007-757X(2017)02-0075-03

TP393

A

2016.05.05)