基于虚拟化的负载均衡机制在调度管理业务中的应用

吴 鑫

(国家电网华东分部调控中心，上海 200122)

在调度管理业务中，长久以来的应用部署方式为单台物理服务器部署一个或几个应用，用户通过网络地址直接访问该服务器。当某台服务器出现故障或功能升级时，需要对应用系统做停机操作，会直接影响生产业务的开展。另外，随着各类应用的增加，业务数据成海量增长，同时用户也有更频繁的访问需求，单台服务器由于性能不足已经不能满足日常生产需求[1-3]。

随着网络信息新技术的飞速发展，考虑将虚拟化技术和负载均衡应用到调度管理业务中。虚拟化是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以更好地应用这些资源。负载均衡就是由多台服务器以对称的方式组成一个服务器集合，每台服务器都具有等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。

将两种技术相结合，对传统调度管理应用架构进行了调整，采用了基于虚拟化的负载均衡机制。本文对新架构的原理进行研究和探讨，对比传统架构进行归纳总结，提炼出基于虚拟化的负载均衡机制在调度管理应用中的优点。

1 虚拟化技术及负载均衡

1.1 虚拟化技术

1.1.1原理

虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

虚拟化用软件的方法重新定义划分资源，实现资源的动态分配、灵活调度、跨域共享，提高资源利用率。在实际的生产环境中，虚拟化技术主要用来解决高性能的物理硬件产能过剩和老旧硬件产能过低的重组重用，透明化底层物理硬件，从而最大化利用物理硬件[4-5]。

目前，主流的五种虚拟化技术分别是：CPU虚拟化、网络虚拟化、服务器虚拟化(虚拟机)、存储虚拟化和应用虚拟化。采用了虚拟机方式来搭建云平台业务环境。

1.1.2运行方式

虚拟机是对真实计算环境的抽象和模拟，将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器。虚拟机不再受限于物理上的界限，而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合。

虚拟机监视器(VMM)是虚拟机技术的核心，它是一层位于操作系统和计算机硬件之间的代码，用来将硬件平台分割成多个虚拟机，隔离并且管理上层运行的多个虚拟机，仲裁它们对底层硬件的访问。VMM为每个虚拟机分配一套数据结构来管理它们状态，包括虚拟处理器的全套寄存器，物理内存的使用情况，虚拟设备的状态等。

1.1.3虚拟化技术的应用

虚拟化技术具有可以减少服务器的过度提供、提高设备利用率、减少IT的总体投资、增强提供IT环境的灵活性、可以共享资源等优点，有着极为广泛的应用。例如，将虚拟化技术应用到企业服务器虚拟化管理以及企业信息化建设应用中。

通过服务器虚拟化可以简化服务器部署、管理和维护工作，降低了管理费用；提高兼容能力，解决了一些应用之间的版本、数据库、操作系统等之间可能产生的冲突问题[6]。服务器虚拟化还可以提高数据备份的可靠性，支持快速转移和复制虚拟服务器，提供一种简单便捷的灾难恢复解决方案，虚拟可以实现较简单的共享机制无法实现的隔离和划分，可实现对数据和服务进行可控和安全的访问。

[2]Lane, Maggie. Jane Austen's England. London: Robert Hale, Ltd.,1986，pp.19-20.

1.2 负载均衡

1.2.1原理

负载均衡设备的实现原理是把多台服务器的地址映射成一个对外的服务IP(通常称之为VIP，可以直接将服务器IP映射成VIP地址，也可以将服务器IP:Port映射成VIP:Port，不同的映射方式会采取相应的健康检查,在端口映射时，服务器端口与VIP端口可以不相同)。这个过程对用户端是不透明的，用户不知道服务器是做了负载均衡的，因为用户访问的还是一个目的IP。

负载均衡设备将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。均衡负载能够平均分配客户请求到服务器列阵，借此快速获取重要数据，解决大量并发访问服务问题。

1.2.2工作方式

负载均衡通常称为四层负载均衡(L4模式)或者七层负载均衡(L7模式)，一般采用L4模式。四层与七层负载均衡的区别见图1。客户端将请求发送给服务器群前端的负载均衡设备，负载均衡设备上的虚服务接收客户端请求，通过调度算法，选择真实服务器，再通过网络地址转换，用真实服务器地址重写请求报文的目标地址后，将请求发送给选定的真实服务器;真实服务器的响应报文通过负载均衡设备时，报文的源地址被还原为虚服务的VSIP，再返回给客户，完成整个负载调度过程。

七层负载均衡，也称为“内容交换”，也就是主要通过报文中的真正有意义的应用层内容，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。

图1 四层与七层负载均衡的区别

1.2.3优点及应用

负载均衡优化了访问请求在服务器组之间的分配，消除了服务器之间的负载不平衡，提高系统的反应速度与总体性能。负载均衡可以对服务器的运行状况进行监控，及时发现运行异常的服务器，并将访问请求转移到其他可以正常工作的服务器上，从而提高服务器组的可靠性。采用了负均衡器器以后，可以根据业务量的发展情况灵活增加服务器，系统的扩展能力得到提高，同时简化了管理。

随着大数据及分布式存储的广泛应用，负载均衡在各行业有了大量应用。例如，网络链路中，当负载均衡中的一台或几台服务器不可用时，服务不会中断。网络负载均衡自动检测到服务器不可用时，能够迅速在剩余的服务器中重新指派客户机通信。

2 基于虚拟化的负载均衡机制

2.1 配置虚拟环境

华东云平台硬件包括计算节点服务器、阵列存储设备、万兆光纤交换机、FC光纤交换机和千兆管理交换机。在物理机上部署虚拟化软件，组建资源池。

虚拟化平台能够有效地整合数据中心IT基础设施资源、精简数据中心服务器的数量、简化IT操作，达到提高物理资源利用率和降低整体拥有成本的效果。通过高可用(HA)、动态资源调度(DRS)、动态资源扩展(DRX)、零存储(vStor)等特性功能，持续为用户提供一个稳定高效的虚拟化运行环境。

虚拟化架构如图2所示。

图2 虚拟化环境架构

2.2 引入负载均衡机制

虚拟化环境搭建完成后，可以划分出数台独立的虚拟机，像物理机那样使用。使用其中2台虚拟机，利用负载均衡控制器，实现调度管理业务应用服务器的双机冗余配置。这样既可避免因硬件故障带来的数据文件安全问题，也可以解决因模块升级或消缺造成的业务中断影响，同时可以分流应用系统的运行压力。系统具备可扩展性，日后可根据业务发展需要新增应用服务节点个数而不影响现有系统运行。

负载均衡器可以实时获取WEB服务器的健康状态，当系统服务器异常时，负载均衡设备的健康检查会侦测出异常，从而将连接数据包转发到别的服务器，以保证用户访问的不间断性。创建健康检查时可以设定检查的间隔时间和尝试次数，例如设定间隔时间为5 s，尝试次数为3，那么负载均衡设备每隔5 s发起一次健康检查，如果检查失败，则尝试3次，如果3次都检查失败，则把该服务标记为DOWN，然后服务器仍然会每隔5秒对DOWN的服务器进行检查，当某个时刻发现该服务器健康检查又成功了，则把该服务器重新标记为UP。

经改造后的系统结构如图3所示。

图3 应用服务结构改造前后对比图

3 新架构优点分析

(1)提高服务器的资源利用率和计算能力，需要服务器的数量减少，降低硬件采购成本。通过简化服务器的部署、管理和维护工作，降低了管理费用。

(2)提高兼容能力，解决了一些应用之间的版本、数据库、操作系统等可能产生的冲突问题。提高数据备份的可靠性，支持快速转移和复制虚拟服务器。

(3)虚拟可以实现较简单的共享机制无法实现的隔离和划分，可实现对数据和服务进行可控和安全的访问。

(4)利用负载均衡机制，实现应用服务器的主备双机配置，既避免了因硬件故障带来的数据、文件安全问题，又解决了因功能模块升级或消缺造成的业务中断影响。

(5)系统具有可扩展性，可以根据需要新增应用服务节点个数而不影响现有系统运行。

(6)实时获取到WEB服务器的健康状态，数据连接时避开问题服务器，将数据包转发到别的服务器，以保证用户访问的不间断性。

4 结语

目前，基于虚拟化的负载均衡机制在华东调度管理业务应用中提供了高效、便捷的服务。整个系统运行良好，所有业务流程运行流畅。对比改造前的系统架构，需要的服务器的数量减少，服务器的部署、管理和维护工作也更加简化。应用间的版本、数据库、操作系统等不兼容问题也得到了解决。数据备份更快速可靠。

应用服务器的双机配置，既避免了因硬件故障带来的数据、文件安全问题，又解决了因功能模块升级或消缺造成的业务中断影响。同时系统具有可扩展性，新增应用服务节点个数不影响现有系统运行。服务器的健康监测，可以保证用户访问的不间断性。后续会将基于虚拟化的负载均衡机制进行推广，调度业务的安全稳定运行提供更有力的技术支撑。