趙艷芳，蔣云起

(1．云南民族大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，云南昆明650031;2．云南省國(guó)家稅務(wù)局，云南 昆明650041)

隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求，網(wǎng)站的形式也從靜態(tài)頁(yè)面展示發(fā)展成交互性的動(dòng)態(tài)頁(yè)面形式，隨之而來(lái)的就是動(dòng)態(tài)網(wǎng)站對(duì)服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境要求的不斷提升．為解決高并發(fā)用戶訪問(wèn)(＞1000用戶/s)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站而產(chǎn)生的性能問(wèn)題，采用多臺(tái)服務(wù)器組成負(fù)載均衡集群，每個(gè)群集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行自己的獨(dú)立進(jìn)程，這些進(jìn)程可以彼此通信，在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)用戶來(lái)說(shuō)就像是形成了一個(gè)單一的網(wǎng)站系統(tǒng)，協(xié)同起來(lái)向用戶提供服務(wù)．集群系統(tǒng)還可通過(guò)在集群中繼續(xù)增加服務(wù)器的方式，從內(nèi)部增加服務(wù)器的處理能力，并通過(guò)系統(tǒng)級(jí)的冗余提供系統(tǒng)的可靠性和可用性．

然而，由于Web技術(shù)所依賴的HTTP協(xié)議是無(wú)狀態(tài)的Request/Response連接協(xié)議，動(dòng)態(tài)網(wǎng)站需要記住特定用戶與網(wǎng)站應(yīng)用交互過(guò)程的信息(用戶記錄、購(gòu)物車、狀態(tài)等等)就只有采用Session(會(huì)話)技術(shù)．當(dāng)網(wǎng)站運(yùn)行于負(fù)載均衡的集群環(huán)境中時(shí)，如果不做會(huì)話保持處理，每次HTTP請(qǐng)求都可能被分配到不同的服務(wù)器，而新的服務(wù)器若沒(méi)有相應(yīng)的會(huì)話記錄，就會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)站的運(yùn)行邏輯混亂．因此，需要研究負(fù)載均衡集群環(huán)境中會(huì)話保持的問(wèn)題，并根據(jù)網(wǎng)站具體使用的負(fù)載均衡算法的不同采用不同的會(huì)話保持方式，使動(dòng)態(tài)網(wǎng)站在正常運(yùn)行的同時(shí)，達(dá)到較優(yōu)的性能［1］．

1 相關(guān)工作

1．1 負(fù)載均衡技術(shù)概述

負(fù)載均衡就是由多臺(tái)服務(wù)器以對(duì)稱的方式組成一個(gè)服務(wù)器集合，每臺(tái)服務(wù)器都具有等價(jià)的地位，都可以單獨(dú)對(duì)外提供服務(wù)而無(wú)須其他服務(wù)器的輔助．通過(guò)某種負(fù)載分擔(dān)技術(shù)，由前端分配器將外部發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求均勻分配到對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的某一臺(tái)服務(wù)器上，而接收到請(qǐng)求的服務(wù)器獨(dú)立地回應(yīng)客戶的請(qǐng)求［2－3］．

負(fù)載均衡集群在多節(jié)點(diǎn)之間按照一定的策略(算法)分發(fā)請(qǐng)求負(fù)載，可以采用軟件和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)．廣義上的負(fù)載均衡既可以設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)、負(fù)載均衡器，也可以通過(guò)一些專用軟件與協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)．在OSI 7層協(xié)議模型中的第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)、第3層(網(wǎng)絡(luò)層)、第4層(傳輸層)、第7層(應(yīng)用層)都有相應(yīng)的負(fù)載均衡策略(算法)．在數(shù)據(jù)鏈路層上實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的原理是根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的MAC地址選擇不同的路徑;在網(wǎng)絡(luò)層上可利用基于IP地址的分配方式將數(shù)據(jù)流疏通到多個(gè)節(jié)點(diǎn);而傳輸層和應(yīng)用層的交換(Switch)，本身便是一種基于訪問(wèn)流量的控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載均衡．

目前，主要的負(fù)載均衡算法有以下3種［4］：

1)DNS輪詢．最早的負(fù)載均衡技術(shù)是通過(guò)DNS來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在DNS中為多個(gè)地址配置同一個(gè)名字，因而查詢這個(gè)名字的客戶機(jī)將得到其中一個(gè)地址，從而使得不同的客戶訪問(wèn)不同的服務(wù)器，達(dá)到負(fù)載均衡的目的．DNS負(fù)載均衡是一種簡(jiǎn)單而有效的方法，但是它不能區(qū)分服務(wù)器的差異，也不能反映服務(wù)器的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)．

2)反向代理服務(wù)器．使用代理服務(wù)器，可以將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部的服務(wù)器，使用這種加速模式可以提升靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的訪問(wèn)速度．這種代理方式與普通的代理方式有所不同，普通代理方式是客戶使用代理訪問(wèn)多個(gè)外部服務(wù)器，而這種代理方式是代理多個(gè)客戶訪問(wèn)內(nèi)部服務(wù)器，因此也被稱為反向代理模式．使用反向代理的好處是，可以將負(fù)載均衡和代理服務(wù)器的高速緩存技術(shù)結(jié)合在一起，提供有益的性能．然而它本身也存在一些問(wèn)題，首先就是必須為每一種應(yīng)用服務(wù)器(Weblogic，Tomcat等)都專門開發(fā)一個(gè)反向代理服務(wù)器．其次，代理服務(wù)器本身雖然可以達(dá)到很高效率，但是針對(duì)每一次代理，代理服務(wù)器就必須維護(hù)2個(gè)連接，1個(gè)對(duì)外的連接，1個(gè)對(duì)內(nèi)的連接，因此對(duì)于特別高的連接請(qǐng)求，代理服務(wù)器的負(fù)載也就非常之大．反向代理方式下能應(yīng)用優(yōu)化負(fù)載均衡策略，每次訪問(wèn)最空閑的內(nèi)部服務(wù)器來(lái)提供服務(wù)．但是隨著并發(fā)連接數(shù)量的增加，代理服務(wù)器本身的負(fù)載也變得非常大，最后反向代理服務(wù)器本身會(huì)成為服務(wù)的瓶頸．

3)地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)．支持負(fù)載均衡的地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，可以將一個(gè)外部IP地址映射為多個(gè)內(nèi)部IP地址，對(duì)每次TCP連接請(qǐng)求動(dòng)態(tài)使用其中一個(gè)內(nèi)部地址，達(dá)到負(fù)載均衡的目的．很多硬件廠商將這種技術(shù)集成在他們的交換機(jī)中，作為他們第4層交換的一種功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般采用隨機(jī)選擇、根據(jù)服務(wù)器的連接數(shù)量或者響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行選擇的負(fù)載均衡策略來(lái)分配負(fù)載．由于地址轉(zhuǎn)換相對(duì)來(lái)講比較接近網(wǎng)絡(luò)的低層，因此就有可能將它集成在硬件設(shè)備中．

1．2 會(huì)話保持

作為每個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站的Web應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)會(huì)話是最基本的要求．用戶在訪問(wèn)服務(wù)器的時(shí)候，服務(wù)器會(huì)為每個(gè)用戶生成一個(gè)唯一的Session，如果下次這個(gè)用戶的請(qǐng)求被分發(fā)到集群中的另一臺(tái)服務(wù)器的時(shí)候，則那臺(tái)服務(wù)器也必須要重新創(chuàng)建一個(gè)新的Session，導(dǎo)致用戶之前的Session信息丟失，登錄狀態(tài)的混亂情況．因此，集群需要采取會(huì)話保持的方法，保證該用戶每次請(qǐng)求都可以使用同一個(gè)Session［5］．

常用的會(huì)話保持方法主要有如下4種：

1)粘性Session(Sticky Sessions)．它是將會(huì)話保持在一臺(tái)服務(wù)器上，就像粘在上面一樣．即當(dāng)用戶的請(qǐng)求第1次分發(fā)到服務(wù)器A，系統(tǒng)就在服務(wù)器A上建立Session，此后該用戶所有的后繼請(qǐng)求都會(huì)一直分發(fā)到服務(wù)器A上處理，以此來(lái)保持Session［6］．

這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、一旦粘上服務(wù)器后響應(yīng)速度快，節(jié)點(diǎn)間不用通信，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成額外的負(fù)擔(dān)，是種常用的會(huì)話保持方法，缺點(diǎn)是某個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)一旦故障，它負(fù)責(zé)的所有用戶都會(huì)丟失Session，而且這種方法也要求集群負(fù)載均衡算法做相應(yīng)的配合．

2)Session復(fù)制(Replicated Sessions)．它的原理是，任何一臺(tái)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器建立了新Session，都會(huì)把此Session數(shù)據(jù)復(fù)制到集群中所有其他節(jié)點(diǎn)服務(wù)器中，同時(shí)無(wú)論何時(shí)，只要Session發(fā)生改變，Session數(shù)據(jù)都要重新復(fù)制，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻，集群中所有節(jié)點(diǎn)服務(wù)器都擁有同樣的Session數(shù)據(jù)．這樣無(wú)論用戶請(qǐng)求被分配到任何節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，都可以正常的使用Session信息，實(shí)現(xiàn)會(huì)話保持．

這種方法安全可靠，而且使集群的負(fù)載均衡算法的選擇完全不受會(huì)話保持方式的制約，但是復(fù)制Session實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，頻繁的在各節(jié)點(diǎn)間復(fù)制大量Session數(shù)據(jù)也會(huì)占用相當(dāng)大的網(wǎng)絡(luò)帶寬、增加系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)．

3)Cookie輔助Session．Session是存放在服務(wù)器端的，Cookie是存在客戶端的，可以借助Cookie實(shí)現(xiàn)Session保持，就是把用戶訪問(wèn)頁(yè)面產(chǎn)生的Session數(shù)據(jù)放到Cookie里面，以Cookie作為復(fù)制中轉(zhuǎn)站．用戶訪問(wèn)服務(wù)器A，產(chǎn)生的Session復(fù)制到Cookie里面了，下次請(qǐng)求被分配到服務(wù)器B，這個(gè)時(shí)候，服務(wù)器B先判斷自己有沒(méi)有這個(gè)用戶請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的Session，如果沒(méi)有，就去看看客戶端的Cookie里面有沒(méi)有對(duì)應(yīng)的Session數(shù)據(jù)，如果也沒(méi)有，說(shuō)明Session真的不存在，如果Cookie里面有，就把Cookie里面的Session數(shù)據(jù)復(fù)制到服務(wù)器B使用，這樣就可以實(shí)現(xiàn)Session 的保持了［7］．

這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單、方便，系統(tǒng)額外負(fù)擔(dān)小，但是如果客戶端瀏覽器把Cookie禁用掉了的話，那么這種方法就行不通了．同時(shí)Cookie的安全性不高，雖然它已經(jīng)加了密，但是還是可以偽造的．

4)會(huì)話服務(wù)器．它的原理是，在集群中設(shè)置一臺(tái)專門的服務(wù)器統(tǒng)一存放集群中所有的Session，用戶請(qǐng)求到達(dá)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器時(shí)，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器去這臺(tái)專門的服務(wù)器獲取所需的Session信息，以達(dá)到Session保持的目的．在實(shí)際應(yīng)用中，一般使用共享文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、內(nèi)存池服務(wù)器等作為會(huì)話服務(wù)器．

這種方法是以上幾種方法中最復(fù)雜的一種，通常需要在應(yīng)用服務(wù)器或者程序代碼中進(jìn)行配置，開發(fā)部署都較困難，一般只在復(fù)雜的大型系統(tǒng)中使用，但是如果配置得當(dāng)?shù)脑挘阅芎涂煽啃远己芨?，關(guān)鍵就是解決會(huì)話服務(wù)器的性能瓶頸．

2 粘性會(huì)話服務(wù)器技術(shù)

基于以上各種會(huì)話保持方法的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的項(xiàng)目研究，本文提出一種新的改進(jìn)方法——粘性會(huì)話服務(wù)器．通過(guò)比較，可以發(fā)現(xiàn)在幾種會(huì)話保持方法中，性能最優(yōu)的是最常用、也是最簡(jiǎn)單的“粘性會(huì)話”方法，集群中各節(jié)點(diǎn)間不用通信，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成額外的負(fù)擔(dān)，但是一旦某個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)故障，它負(fù)責(zé)的所有用戶都會(huì)丟失Session．為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，粘性會(huì)話服務(wù)器技術(shù)的解決思路是：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，仍采用粘性Session方式保持會(huì)話，只是增加一份工作，集群中的每臺(tái)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器實(shí)時(shí)將其上的Session信息復(fù)制一份到一臺(tái)專門的會(huì)話服務(wù)器上，一旦節(jié)點(diǎn)服務(wù)器出現(xiàn)故障，故障服務(wù)器上的用戶將被分配到其他服務(wù)器，并從會(huì)話服務(wù)器上取回相應(yīng)的Session信息保存到新的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)會(huì)話保持．粘性會(huì)話服務(wù)器技術(shù)模型如圖1所示．

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)用戶X第1次訪問(wèn)集群系統(tǒng)，負(fù)載均衡服務(wù)器將他的請(qǐng)求分配到某個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，記為A，并記住這個(gè)分配關(guān)系X(A)，此后用戶X的所有請(qǐng)求都將分配到服務(wù)器A，即用戶X的會(huì)話粘上服務(wù)器A．

2)服務(wù)器A首先檢查本機(jī)上是否有Session－X(A)存在，如果有就跳到第3)步．否則服務(wù)器A會(huì)向會(huì)話服務(wù)器查詢是否存在Session－X(n)'，若有就將n修改為A，取回本機(jī)，保存為Session－X(A)然后跳到第3)步．若Session－X(n)'也不存在，即可判斷用戶X為首次訪問(wèn)，就在服務(wù)器A上為用戶X建立新的Session－X(A)，保存用戶X的有關(guān)信息，同時(shí)服務(wù)器A將Session－X(A)的副本發(fā)送到集群中的會(huì)話服務(wù)器，注冊(cè)保存為Session－X(A)'．

3)用戶X繼續(xù)訪問(wèn)集群系統(tǒng)，其提交的請(qǐng)求都被分配到服務(wù)器A上處理．系統(tǒng)需要獲取用戶X的會(huì)話信息，直接從服務(wù)器A上讀取Session－X(A)．若需要更新會(huì)話數(shù)據(jù)，可以直接操作服務(wù)器A上的Session－X(A)數(shù)據(jù)，同時(shí)服務(wù)器A將變更后的Session－X(A)副本發(fā)送到集群中的會(huì)話服務(wù)器，更新Session－X(A)'，使會(huì)話服務(wù)器上的Session－X(A)'與服務(wù)器A上的Session－X(A)始終保持一致．

4)當(dāng)服務(wù)器A發(fā)生故障時(shí)，用戶X訪問(wèn)集群系統(tǒng)，其提交的請(qǐng)求將被重新分配到新的服務(wù)器B上處理．服務(wù)器B首先檢查本機(jī)上是否有Session－X(B)存在，沒(méi)有就向會(huì)話服務(wù)器查詢Session－X(n)'是否存在，會(huì)話服務(wù)器查到有Session－X(A)'，就將其修改成為Session－X(B)'，讓服務(wù)器B取回本機(jī)，保存為Session－X(B)，就此用戶X的會(huì)話就從出現(xiàn)故障的服務(wù)器A平滑轉(zhuǎn)移到了服務(wù)器B上．

圖2為負(fù)載均衡服務(wù)器算法流程，圖3為集群節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的流程．

采用這種方法，正常情況下，用戶的會(huì)話操作只與其被分配到的一臺(tái)服務(wù)器和集群中專門的會(huì)話服務(wù)器發(fā)生數(shù)據(jù)交換，集群中的其他服務(wù)器不需要關(guān)心、也不用復(fù)制保存用戶X的會(huì)話信息，操作會(huì)話的負(fù)擔(dān)和復(fù)雜度只比單純的粘性Session方式多出節(jié)點(diǎn)服務(wù)器與會(huì)話服務(wù)器同步Session的部分，而且相對(duì)于單純的會(huì)話服務(wù)器方式，又節(jié)省了多臺(tái)服務(wù)器同會(huì)話服務(wù)器交互的負(fù)載．也就是，單純粘性Session方法是用戶－服務(wù)器：1－1的連接;會(huì)話服務(wù)器方法是用戶－集群中所有節(jié)點(diǎn)服務(wù)器－會(huì)話服務(wù)器：1－n－1的連接;而粘性會(huì)話服務(wù)器方法是用戶－服務(wù)器－會(huì)話服務(wù)器：1－1－1的連接．

運(yùn)行性能比較是：用戶－服務(wù)器＞用戶－服務(wù)器－會(huì)話服務(wù)器＞用戶－集群中所有節(jié)點(diǎn)服務(wù)器－會(huì)話服務(wù)器，而系統(tǒng)可靠性比較為：用戶－服務(wù)器－會(huì)話服務(wù)器=用戶－集群中所有節(jié)點(diǎn)服務(wù)器－會(huì)話服務(wù)器＞用戶－服務(wù)器．

3 幾種會(huì)話保持方法的性能比較

本文采用“云南省國(guó)家稅務(wù)局網(wǎng)絡(luò)申報(bào)系統(tǒng)”對(duì)幾種會(huì)話保持技術(shù)的性能進(jìn)行測(cè)試．

系統(tǒng)是基于 J2EE構(gòu)架開發(fā)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)站［8－10］，部署在10臺(tái)PC服務(wù)器組成的Weblogic+Oracle集群環(huán)境中．在使用相同的負(fù)載均衡算法的情況下，針對(duì)高負(fù)載(5 000并發(fā)用戶/s)情況下的系統(tǒng)性能和可靠性，分別采用粘性會(huì)話、會(huì)話復(fù)制、會(huì)話服務(wù)器(獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)作為會(huì)話服務(wù)器)、粘性會(huì)話服務(wù)器(獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)作為會(huì)話服務(wù)器)4種會(huì)話保持方法進(jìn)行了測(cè)試，平均響應(yīng)時(shí)間如表1所示．

表1 平均響應(yīng)時(shí)間 ms

性能曲線圖如圖4．

圖4中響應(yīng)時(shí)間越大，表明性能越差;曲線坡度越大，表明響應(yīng)時(shí)間隨并發(fā)用戶增加而增加的趨勢(shì)越大．去除性能最差的會(huì)話復(fù)制方法，得到性能曲線圖如圖5．

從測(cè)試結(jié)果，可以看出在4種方法中，粘性會(huì)話方法性能最優(yōu)，而且隨著并發(fā)用戶的增長(zhǎng)，性能變化不大．而會(huì)話復(fù)制方法性能最差，響應(yīng)時(shí)間和其他3種方法不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，并且隨著并發(fā)用戶的增長(zhǎng)，性能急劇下降．剩下的會(huì)話服務(wù)器和粘性會(huì)話服務(wù)器方法性能相近，而粘性會(huì)話服務(wù)器方法與會(huì)話服務(wù)器方法相比，性能隨并發(fā)用戶增加而下降的趨勢(shì)不明顯．

4 結(jié)語(yǔ)

在深入研究了現(xiàn)有幾種集群環(huán)境中會(huì)話保持的方法，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)后，本文提出了粘性會(huì)話服務(wù)器的方法，并且在項(xiàng)目實(shí)踐中得到了應(yīng)用，收到了較好的應(yīng)用效果．

然而，在實(shí)踐當(dāng)中，也發(fā)現(xiàn)此方法還存在一定的缺陷，隨著并發(fā)用戶的不斷增加，尤其是并發(fā)用戶超過(guò)20 000用戶/s時(shí)，系統(tǒng)的性能曲線會(huì)急劇上升，向“會(huì)話服務(wù)器”方法的性能曲線靠攏．經(jīng)跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，此時(shí)作為會(huì)話服務(wù)器的獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)的性能成了系統(tǒng)瓶頸，因此，改進(jìn)會(huì)話服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方式，提升其性能，成了改進(jìn)系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵．今后的實(shí)踐中，可以考慮使用性能更優(yōu)的內(nèi)存池替代數(shù)據(jù)庫(kù)作為會(huì)話服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)．

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