CN102123087B - 快速定标多级转发负载均衡方法及多级转发网络*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于多级转发网络的快速定标多级转发负载均衡方法以及基于该方法的多级转发网络***，除了最末级转发节点外，各级中的各转发节点监测其下一级的各个转发节点的负载状态，主要依据下一级转发节点的负载轻重确定转发优先级，并在有数据需要转发时优先将所述数据转发至下一级负载最轻的转发节点，若高优先级转发失败，依次选取各次优先级转发节点转发，发出所述数据的转发节点构成转发源节点，接收所述数据的节点构成转发目标节点。该方法及***实现了转发节点间的负载均衡，以及对链路和网络***状况的检测和处理，使整个网络***资源利用最佳化，且该方法的核心算法也可用于服务器端进行负载均衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于多级转发网络的多级转发负载均衡方法以及基于该方法的多级转发网络***，该方法特别适用于转发节点间的负载均衡，也可用于服务器间的负载均衡，特别适用于转发单播/多播数据的多级转发网络，尤其可实现多级转发网络***中流媒体传输链路网络带宽的均匀分配。
背景技术
现在我们正身处信息时代，随着社会的迅速发展和人们对网络应用需求的多样化，对网络的速度和带宽的要求也不断提升，而通过改进硬件设施来提高网络带宽和服务器处理能力则成本太高，因此，通过合理分配现有带宽和服务器的应用来实现负载均衡成为见效快投资小的首选方法。
目前有许多不同的负载均衡技术用于不同的场合，如：轮询均衡、权重轮询均衡、随机均衡、权重随机均衡、处理能力均衡、DNS响应均衡、响应速度均衡和最少连接数均衡等，采用适宜的负载均衡算法可以较好地把数据流量分配给相应的服务器，使多个服务器较好地共同完成任务，一定程度地缓解了现有网络负载分布不均、数据流量拥挤、反应时间长等问题。
但是，采用上述负载均衡算法仍存在如下不足：一，现有的负载均衡算法都是侧重于解决服务器端的负载均衡问题，不能实现整个网络的负载均衡；二，现有的负载均衡算法不具有对网络***状况(如网络故障、服务器***故障和应用服务故障等)的检测和处理功能，一旦某台服务器或某段负载均衡设备与服务器网络间出现故障，负载均衡设备依然把一部分数据流量引向该服务器时，势必造成大量的服务请求丢失，达不到不间断可用性的要求。
发明内容
为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种快速定标多级转发负载均衡方法及基于该方法的多级转发网络***，所述快速定标多级转发负载均衡方法尤其适用于在各级转发节点间实现负载均衡，还能根据网络***状况(如突发链路故障、网络故障、服务器***故障和应用服务故障等)实现负载均衡设备的动态选择，实现整个网络***资源利用的最佳化负载均衡。该方法的核心思想也可应用于服务器端实现服务器端的负载均衡。
本发明所采取的技术方案是：
一种快速定标多级转发负载均衡方法，用于多级转发网络，每一级上有多个转发节点，除了最末级转发节点外，各级中的各转发节点监测其下一级的各个转发节点的负载状态，主要依据下一级转发节点的负载轻重确定转发优先级，并在有数据需要转发时优先将所述数据转发至下一级负载最轻的转发节点，若高优先级转发失败，依次选取各次优先级转发节点转发，发出所述数据的转发节点构成转发源节点，接收所述数据的节点构成转发目标节点。
所述监测优选为周期性执行，且用后一次监测所确定的转发优先级的列表用于替换前一次监测所确定的转发优先级的列表。
所述转发源节点可根据其下一级的各个转发节点的负载状态调整所述心跳监测的周期。可以采用下述优选方法调整所述心跳监测的周期：所述转发源节点在执行转发之前先设定其自身负载的初始值以及所述心跳监测的周期的初始值、最大值和最小值，在执行数据转发的过程中定期或非定期地计算其自身的实际负载大小，并与所述自身负载的初始值进行比较，当所述实际负载高于所述自身负载的初始值时，则调整所述心跳监测的周期使之线性增加，反之，当所述实际负载低于所述自身负载的初始值时，则调整所述心跳监测的周期使之线性减小，并保证调整后的周期不超出由所述周期的最大值和最小值所限定的区间，当依据上述线性关系得到的所述周期的计算值超出了上述区间，则将所述周期调整回所述心跳监测的周期的初始值或者相应的所述最大值或最小值。
所述自身负载的初始值、心跳监测的周期的初始值、最大值和最小值可以根据网络情况和经验由设计人员设定，并可以根据实际运行效果进行重新设定或调整。所述实际负载的大小可以根据所述转发源节点自身的连接数等信息计算。
当所述转发源节点在合理时间内未收到下一级的某个转发节点反馈的负载信息时，所述转发源节点将该下一级转发节点确定为最低优先级。
所述转发节点的负载计算公式为：Loadi＝αNi+βTi，其中，
Loadi(i＝1，2，3，...k)为转发节点i的负载，
Ni(i＝1，2，3，...k)为转发节点i处理的连接数，
Ti(i＝1，2，3，...k)为转发节点i的反应时间，
α、β分别为所述连接数和反应时间的权重因子，
k为所述转发源节点的下一级转发节点的个数。
一种基于快速定标多级转发负载均衡方法的多级转发网络***，包括多级转发网络和连接在所述多级转发网络两端的用户集群和服务器集群，所述服务器集群中各级服务器之间采用了负载均衡方法，所述多级转发网络采用上述任意一种快速定标多级转发负载均衡方法实现负载均衡。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的负载均衡方法可用于多级转发网络中各转发节点间的负载均衡，克服了现有技术条件下仅仅局限于服务器端负载均衡的缺陷，充分满足整个***的负载均衡要求，合理利用整个***的资源，实现资源利用率的最优化；
(2)将转发节点处理的连接数和反应时间作为衡量转发节点的负载轻重的度量，更加真实地反映了转发节点的负载情况，以及网络的当前运行状况，使均衡方法更加精确，均衡效果更好；
(3)对转发节点的负载状态的监测是独立于数据转发之外实时进行的，当有数据要转发时，只需要按照当前掌握的负载状态，选择下一级负载最轻的转发节点作为转发目标节点即可，而不需要在有数据需要转发时才去寻找适合的转发节点，保证了转发的实时性，节约了***资源，也节省了数据转发的等待时间，能够快速的实现转发目标节点的定标，利用最少的***资源和最短的定标时间实现了转发节点的负载均衡；
(4)对转发节点的负载状态的监测为周期性的，且每次监测后都对上一周期的监测结果进行更新，即负载状态也是周期性更新的，保证了对转发目标节点的选择总是针对最新的状况下做出的，从而实时保持数据请求分配的合理性。
(5)监测周期可根据***状况(包括负载状态和突发故障)的变化动态调节，既可以较好地反映节点的负载情况，又能够避免周期太短对网络带宽等资源消耗过大而降低***运转速度，特别是可以避免周期监测成为***运转的新负担。
(6)该方法具有对链路或网络***状态的检测能力，当链路或网络突发故障时，避免将数据引向发生故障的链路或网络节点，造成大量请求或数据的丢失等，还可以避免对故障节点的反复请求，从而减少了对***资源的浪费；
(7)该方法还可以用于多种不同处理能力的服务器，不仅可获得更好的均衡效果，还在服务器间或服务器与负载均衡设备间出现故障的情况下，避免负载均衡设备仍将一部分数据流量引向故障服务器，造成大量的服务请求丢失。
附图说明
图1为基于本发明的负载均衡方法的一种多级转发网络***的原理结构图；
图2为本发明的负载均衡方法的流程图；
图3为本发明的负载均衡方法中确定转发优先级的流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便更好的理解本发明，下面结合附图1-3和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明提供了一种快速定标多级转发负载均衡方法，用于多级转发网络，每一级上有多个转发节点，除了最末级转发节点外，各级中的各转发节点监测其下一级的各个转发节点的负载状态，主要依据下一级转发节点的负载轻重确定转发优先级，并在有数据需要转发时优先将所述数据转发至下一级负载最轻的转发节点，若高优先级转发失败，依次选取各次优先级转发节点转发，发出所述数据的转发节点构成转发源节点，接收所述数据的节点构成转发目标节点。根据多级转发网络的结构特点以及应用特点，也允许只有部分转发节点具有监测其下一级的各个转发节点的负载状态的能力。
由于存在多级转发节点，且各个转发节点在数据转发之前即确定了其数据转发的下一级转发目标节点，因此，不仅增加了转发路径的选择，避免了单级转发在路径选择方面的局限，使得***资源的分配更加均衡，并且缩短了数据转发的等待时间，提高了数据转发的速度，实现了快速定标，有效实现了各个转发节点负载的均衡，所述转发源节点和转发目标节点在数据转发方向发生变化时其角色可以互换，以实现在其数据转发的双方向上的负载均衡。
所述转发源节点通过如下步骤执行一次监测：(1)查询所述下一级的各个转发节点的负载信息；(2)计算所述下一级的各个转发节点的当前负载，根据当前负载确定转发优先级；(3)生成并存储转发优先级的列表。
通过计算得到所述转发源节点的所述当前负载，确定转发优先级，然后生产并存储转发优先级列表，以供需要时调用，节约了时间，加快了数据转发处理的速度，保证了数据转发的实时性。
所述监测为周期性执行，且用后一次监测所确定的转发优先级的列表用于替换前一次监测所确定的转发优先级的列表。
上述替换实现了对优先级列表的周期性更新，通过对所存储的优先级列表的周期性更新既保证了优先级的实时性，使其能实时反应转发节点的当前负载状况，还可以避免每次转发数据时才需要确定优先级所造成的时间浪费和***资源的浪费，既提高了数据转发的速度又最大限度地节约了***资源，利用最少的***资源和最短的定标时间实现了转发节点间的负载均衡。
更新周期既不能太短也不能太长，太短的话对网络带宽的资源消耗过大，反过来会影响***的正常运转，太长的话，不能实时的反映节点的负载情况，容易造成误判，因此更新周期需要综合考虑。
所述转发源节点通过心跳监测方式查询所述下一级的各个转发节点的负载信息，所述负载信息包括转发节点处理的连接数和反应时间，可以更真实地反映网络***的运行状况，使该负载均衡方法更加精确，均衡效果更好。
所述转发源节点可以根据其下一级的各个转发节点的负载状态和/或其他软硬件配置等情况的变化调整所述心跳监测的周期。周期的动态可调，使得其不仅仅在单一的***状况下能够实现较好负载均衡效果，当***状况随时间、用户、使用程序和/或硬件变化而发生改变时也同样能够较好地保证负载均衡效果。
所述转发源节点还可以利用心跳监测方式对其下一级转发节点及该下一级转发节点与所述转发源节点之间的链路进行故障监测，当所述转发源节点在合理时间内未收到下一级的某个转发节点反馈的负载信息时，所述转发源节点将该下一级转发节点确定为最低优先级，从而实现了对链路或网络***故障的检测，以达到对整个网络***运行状况的更为全面的掌握，及时把故障的不利影响降低到最小，实现***的不间断运行。既可以避免在转发目标节点出现故障时依然将数据转发造成丢失，还可以避免对故障节点的反复请求，减少了对***资源的浪费，这样不但解决了负载均衡问题。
所述转发节点的负载计算公式为：Loadi＝αNi+βTi， (1)
其中，Loadi(i＝1，2，3，...k)为转发节点i的负载，
Ni(i＝1，2，3，...k)为转发节点i处理的连接数，
Ti(i＝1，2，3，...k)为转发节点i的反应时间，
α、β分别为所述连接数和反应时间的权重因子，
k为所述转发源节点的下一级转发节点的个数。
其中反应时间由最快反应速度确定，最快反应速度可以根据实际情况如内存大小和CPU型号等情况确定。所述权重因子α和β可以根据***的实际情况来确定，如根据***的带宽、各个服务器处理数据的能力等来确定，优选使α+β＝1。由于其负载根据转发节点处理的连接数和反应时间来综合评定，因此，其负载信息的确定相对现有技术只通过单方面数据进行确定来说更能够真实、贴切的反应各个转发节点的负载情况，更加有利于其对于数据的处理，提高了其对于数据处理的能力，避免了高能力低应用的能力浪费和低能力高应用造成的时间浪费。
本发明还提供了一种基于上述快速定标多级转发负载均衡方法的多级转发网络***，其包括多级转发网络和连接在所述多级转发网络两端的用户集群和服务器集群，所述服务器集群中各级服务器之间采用了负载均衡方法，所述多级转发网络采用本发明的前述的任意一种快速定标多级转发负载均衡方法实现负载均衡。该多级转发网络***可在服务器端均衡负载的基础上，实现各级转发节点间的负载均衡，达到了网络***资源利用最佳化。
所述服务器集群也可以采用本发明所述的快速定标多级转发负载均衡方法的核心算法实现服务器端的负载均衡，由于该种方法具有对突发故障的检测和处理能力，使服务器端能够达到更好的负载均衡效果。其中所述服务器集群可以包括代理服务器集群和web服务器集群，一个所述代理服务器同与其直接连接的各个WEB服务器共享同一个IP地址。
图1所示为采用本发明所述快速定标多级转发负载均衡方法的一种多级转发网络***结构，包括用户集群1、服务器集群3及在所述用户集群与所述服务器集群之间转发数据的多级转发网络2，所述多级转发网络的转发级数为2，每一级中设有多个转发节点，第一级转发级R1中有转发节点R11、R12......R1n，第二级转发级R2中有转发节点R21、R22......R2m，所述第一级转发级中的各转发节点均可以与其下一级的转发节点(位于所述第二级转发级中)进行通信。当数据由用户集群向服务器集群传输时，所述第二级转发级为该2级转发网络的最末级。
设当前转发源节点为R12，根据公式(1)计算可获得其第二级各个转发节点的负载情况，如计算结构为Load1＜Load2＜Load3＜...＜Loadm(Loadi分别代表第二级转发节点R2i的负载)，则可以确定第二级转发节点的优先级为R21＞R22＞R23＞...＞R2m，当R12有数据转发请求时，会相应的根据转发优先级顺序选取R21为转发目标节点，将数据转发至R21。
若本心跳监测周期内转发优先级最高的第二级转发节点R21出现突发性故障或第一级转发节点R12与第二级转发节点R21间的链路出现故障无法提供服务时，第一级转发节点R12会相应地选取次转发优先级节点R22参与数据转发，依次实施直到下个心跳监测周期更新了存储的转发优先级顺序，其它各节点需要转发数据时会运行相同的过程。这样不但解决了负载均衡问题，同时能及时应对网络故障。其中反应时间由最快反应速度确定，最快反应速度可以根据实际情况如内存大小和CPU型号等情况确定。
图1中所述服务器集群3包括一个代理服务器和多个web服务器，所述代理服务器在网络层和链路层之间进行负载平衡。所述代理服务器可以同各个web服务器共享同一个IP地址，访问各个web服务器的IP包首先到达代理服务器，所述代理服务器根据保存的各个web服务器的访问优先级顺序，将请求分配给各个web服务器，各个web服务器的访问优先级同样可以根据上述转发节点的转发优先级确定方式来进行确定。
具体说，所述代理服务器通过心跳监测方式同与其直接相连的所述web服务器动态交换信息，根据这些信息获得这些web服务器的连接任务数和反应速度情况，然后依据所获得的连接任务数和反应速度动态更新所述代理服务器所保存的即时访问web服务器的优先级。动态交换的所述信息包括进程使用情况、内存使用情况、CPU使用情况等。
所述Web服务器提供相同的服务，能够保证多用户访问时实现更加均匀的分配负载，从而保证数据传输的实时性。所述WEB服务器是提供流媒体数据单播/多播服务的WEB服务器。
本发明所称的“转发源节点”、“转发目标节点”和“下一级”、“最末级”是相对数据传输方向而言的，并不构成对网络***的物理结构的限定，对于双向传输数据的转发网络，在一个方向上的“下一级”(或“上一级”)则构成在另一个方向的“上一级”(或“下一级”)。
Claims (9)
1.一种快速定标多级转发负载均衡方法，用于多级转发网络，每一级上有多个转发节点，其特征在于除了最末级转发节点外，各级中的各转发节点监测其下一级的各个转发节点的负载状态，主要依据下一级转发节点的负载轻重确定转发优先级，并在有数据需要转发时优先将所述数据转发至下一级负载最轻的转发节点，若高优先级转发失败，依次选取各次优先级转发节点转发，发出所述数据的转发节点构成转发源节点，接收所述数据的节点构成转发目标节点；
所述转发节点的负载计算公式为：
Loadi=αNi+βTi，
其中，
Loadi(i=1,2,3,…k)为转发节点i的负载，
Ni(i=1,2,3,…k)为转发节点i处理的连接数，
Ti(i=1,2,3,…k)为转发节点i的反应时间，
α、β分别为所述连接数和反应时间的权重因子，
k为所述转发源节点的下一级转发节点的个数。
2.如权利要求1所述的快速定标多级转发负载均衡方法，其特征在于所述转发源节点通过如下步骤执行一次监测：
（1）查询所述下一级的各个转发节点的负载信息；
（2）计算所述下一级的各个转发节点的当前负载，根据当前负载确定转发优先级；
（3）生成并存储转发优先级的列表。
3.如权利要求2所述的快速定标多级转发负载均衡方法，其特征在于所述监测为周期性执行，且用后一次监测所确定的转发优先级的列表用于替换前一次监测所确定的转发优先级的列表。
4.如权利要求3所述的快速定标多级转发负载均衡方法，其特征在于所述转发源节点通过心跳监测方式查询所述下一级的各个转发节点的负载信息，所述负载信息包括转发节点处理的连接数和反应时间。
5.如权利要求4所述的快速定标多级转发负载均衡方法，其特征在于所述转发源节点根据其下一级的各个转发节点的负载状态调整所述心跳监测的周期，调整方法为：所述转发源节点在执行转发之前先设定其自身负载的初始值以及所述心跳监测的周期的初始值、最大值和最小值，在执行数据转发的过程中定期或非定期地计算其自身的实际负载大小，并与所述自身负载的初始值进行比较，当所述实际负载高于所述自身负载的初始值时，则调整所述心跳监测的周期使之线性增加，反之，当所述实际负载低于所述自身负载的初始值时，则调整所述心跳监测的周期使之线性减小，并保证调整后的周期不超出由所述周期的最大值和最小值所限定的区间，当依据上述线性关系得到的所述周期的计算值超出了上述区间，则将所述周期调整回所述心跳监测的周期的初始值或者相应的所述最大值或最小值。
6.如权利要求5所述的快速定标多级转发负载均衡方法，其特征在于当所述转发源节点在合理时间内未收到下一级的某个转发节点反馈的负载信息时，所述转发源节点将该下一级转发节点确定为最低优先级。
7.一种基于快速定标多级转发负载均衡方法的多级转发网络***，其特征在于包括多级转发网络和连接在所述多级转发网络两端的用户集群和服务器集群，所述服务器集群中各级服务器之间采用了负载均衡方法，所述多级转发网络采用权利要求1-6中任意一种快速定标多级转发负载均衡方法实现负载均衡。
8.如权利要求7所述的多级转发网络***，其特征在于所述服务器集群包括代理服务器集群和web服务器集群，一个所述代理服务器同与其直接连接的各个WEB服务器共享同一个IP地址。
9.如权利要求8所述的多级转发网络***，其特征在于所述多级转发网络包括多级转发节点，最末级转发节点连接所述代理服务器集群，一个所述代理服务器通过心跳监测方式同与其直接相连的所述web服务器动态交换信息，根据这些信息获得这些web服务器的连接任务数和反应速度情况，然后依据所获得的连接任务数和反应速度动态更新所述代理服务器所保存的即时访问web服务器的优先级。
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