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根据高可用集群和负载均衡设计集群结构

添加时间:2019/01/22 来源:北京邮电大学 作者:汪高翔
当前的应对方案往往从加强服务器硬件性能和改变服务器系统架构方面入手。高性能的服务器能够提高服务的可靠性和负载能力,但是价格昂贵,而且在可靠性的提升方面,其上限还未能达到实际生产的要求。
以下为本篇论文正文:

摘要

  随着科学技术的高速发展,互联网技术得到长足发展,人们对当前网络服务的要求也在逐步提高。尤其是一些大型网络公司、企业、集团等,其服务器必须24小时不间断地对外提供服务。如何保证服务的不间断,使服务器提供高可用的服务越来越受到企业公司的重视。

  能否提供高可用、稳健、高效的服务,直接影响到整个系统的正常运行和用户的体验,如果企业没有应对服务器故障的措施,就会造成用户量下降,对企业的经济和信誉造成不可估量的损失。

  当前的应对方案往往从加强服务器硬件性能和改变服务器系统架构方面入手。高性能的服务器能够提高服务的可靠性和负载能力,但是价格昂贵,而且在可靠性的提升方面,其上限还未能达到实际生产的要求。另一种方法是设置备机或者对服务进行分流,这些热备和负载均衡的思想大都是通过集群实现。现有的集群解决方案多种多样,不同的集群结构适用于不同的集群方案。由于集群方案的幵源性和配置的灵活性,使我们在改进方案时有很大的空间。

  高可用(HA)集群旨在使集群系统的服务不间断,负载均衡集群旨在提高集群系统的服务性能,两者结合可以保证集群的稳定性与高性能。

  本文基于项目中的需求,整合了高可用集群和负载均衡集群,设计了集群的结构,对每个功能模块进行了适应需求的改进。本文所做的工作有如下几点:

  1.根据各种集群解决方案的优点,设计了融合高可用和负载均衡集群的集群结构,对集群中的存储结构进行了分析论证。

  2.对集群中的高可用模块使用的开源项目heartbeat进行了修改,将资源管理功能从heartbeat中剥离。

  3.增加了双机主备间高可用模块的管理和监视功能,并实现双机模块在控制页面上的展示与管理。

  4.改进了负载均衡模块所采用的动态调度算法,将集群中各节点的运行参数、网络状况等因素作为考察点,使得均衡器根据每个节点的状况动态灵活分配任务。

  最后,本文将改进的集群解决方案应用到了安全管理系统中,并进行了演示、故障切换和压力测试。

  关键词:Linux集群高可用负载均衡集群存储

ABSTRACT

  With the rapid development of science and technology, Internet technology has got great development, and people's requirement of network service increases gradually. As to large network companies, enterprises, groups, the servers must be 24 hours uninterrupted provide service for users. All of these require the servers to provide high performance, uninterrupted service, so whether the servers are efficient and stable and high availability has been paid more and more attention.

  It also becomes the key to enhance the competitiveness of enterprises.

  High performance, uninterrupted and efficientapplication service make the enterprises and social public institutions emphasize handling business, performance of servers, stability of servers, and the system's high availability requirements to an unprecedented degree. The development and popularization of all these applications make people pay more and more attention on high efficiency and stability of service system. The requirements of customers makes enterprises, organizations and groups in urgent demand for high availability system. If there is anydowntime means serious losses, the decline in customers' experience, and it may cause the loss of customers, the decline of entire enterprise reputation, and the loss of the core competence.

  Current solutions are strengthening server hardware performance and changing server system architecture. High performance servers can provide service reliability and load capacity. But the price is expensive, and reliability cannot meet the requirement of actual production. Another approach is to construct a cluster. There are diverse cluster solutions, different solutions apply to different cluster. Many open source modules and flexible configuration give us great space to improve the cluster.

  High availability cluster aims to improve the unremittance of cluster's service, load balancing cluster aims to improve the service performance of the cluster, and the combination of the two can guarantee the stability and high performance of cluster.

  Based on the needs of our project, we intergrated high-availability cluster and load balancing cluster and designed the structure of the cluster, which has been improved to meet the needs of each functional module.

  The work of this paper are as follows: 1.According to the merits of various clustering solutions, we designed a new cluster structure, which intergrated high-availability cluster and load balancing cluster. And then we analyzed the reasonable storage structure in cluster. 2.We modified the open source project heartbeat, which had been used in high-availability cluster. We stripped the resource management function from the heartbeat.

  3.We added the. management and monitoring module in the dual system, and we could monitor and manage the system on control page.

  4.We came up with a dynamic load balancing algorithm, which was improvement of dynamic scheduling algorithm. The director will allocation . tasks according to the operating parameters and network conditions of each node in cluster.

  At last, we conducted the system and made a switch and pressure test.

  KEY WORDS: Linux cluster high availability load balancing cluster storage

  随着科技和经济的高速发展,互联网的普及程度得到长足的发展,人们对当, 前网络服务质量的要求也在逐步提高。尤其是一些大型网络公司、企业、集团等,其服务器必须24小时不间断地对外提供服务。是否能够提供高效稳定的服务已经成为一个网络公司强有力的竞争力。世界各地各种各样的公司广行业,比如交通信号系统、工业生产控制系统、数据交换机、电信业服务系统、军事监控系统。

  这些领域的服务器都需要不间断且稳定地运行。这些企业公司的服务器一旦发生故障都可能造成重大损失,甚至是严重事故,从而造成用户体验下降,客户的流失,最终导致公司、企业的衰败。计算机服务的稳定和效能提升成为人们关注的焦点,服务质量的提升也应该从这些方面考虑。而服务的稳定持续性不能够只靠提高服务器性能和改进操作系统来实现,这需要一组服务器群体共同实现,这就是服务器集群。

  就目前而言,VMS、Windows以及Unix/Linux仍然是大多数集群系统所釆用的主流操作系统。[1]VMScluster系统是最早的集群系统,它是由美国的DEC公司开发的。由于VMSduster的起步较早,因而其技术也比较成熟,但是其发展也受到一定限制,这是因为该系统只能运行在DEC公司开发的Alpha和VAX系统上。[2]Unix因为它的稳定和安全,受到众多公司的青睐,许多公司的集群系统搭建在Unix系统之上,如IDEC、HP、SUN、IBM、NCR以及DG等公司。具有代表性的集群解决方案是DEC公司的Tmchaster[2],这是一个由4台服务器组成的高可用集群,该系统具有高可靠、高可用和方便管理等特点,能为重要业务模块提供理想的集群解决方案。

  微软在上个世纪末幵始着手集群系统的研发工作,并在Windows2000中添加了名为WolfPack的集群功能模块,他有一个更为人熟知的名字,MicrosoftCluster Server (MCS)。[3]该模块可以对基于WindowsNT系统的应用程序提供性能的提升和高可用服务,并且其用户大都是较大规模的,企业级的。当前的MCS只支持两个节点的集群,一个主用服务器,另一个备份服务器。MCS下一步的目标是将集群节点数量提升至16个。MCS的双机集群对应用程序资源的管理过于简单,集群性能的提升空间有限。其次,MCS只能运行在WindowsNT服务器上,其可移植性不强。目前,基于WindowsNT系统的集群大都应用在小型机之上,这是因为WindowsNT系统在大型机上的稳定性与UNIX尚有一定差距,并且与集群相关的大规模并行计算能力也不强。随着WindowsNT的不断发展和逐渐成熟,其集群系统将有更广泛的应用。

  Turbolinux公司推出了一套基于Linux的集群解决方案Turbocluster,该集群适用于各种以TCP/IP协议族网络服务为核心业务的系统。RedHat推出了基于LVS的高可用集群系统Piranha。Eddie集群解决方案提供了较好质量的web服务。Lsf是一种为分布式的集群系统设计的集群解决方案,该方案是Platform公司的产品。MOSIX增加了 Linux集群的集群计算能力,它能使应用'程序在各节点间透明地调度,提高了集群调度效率。F5公司开发的BIG-IP是一款用于数据中心或者本地网络站点的产品,该集群具有智能化、高可用等优点,它最突出的特点是能够支持即插即用。[3]

  在高性能科学计算领域,人们开始用小型廉价的个人电脑或小型工作站集群。_替代昂贵的高性能服务器。比较成功的是Beowulf,它用以增强对大规模的科学计算的计算能力。

  负载均衡集群结构设计:

安装双机模块前
安装双机模块前

安装双机模块后
安装双机模块后

双机热备的配置页面
双机热备的配置页面

双机热备的启用
双机热备的启用

双机系统启用提示
双机系统启用提示

双机信息管理界面
双机信息管理界面

目录

  第一章引言
    1.1 研宄的意义及背景与现状
    1.2 论文主要工作及创新点
    1.3 论文组织结构
    1.4 小结
  第二章集群预备知识
    2.1 集群的定义及其评测标准
    2.2 几种典型的Linux集群系统
    2.3 集群中数据包的处理
    2.4 集群的存储方案
      2.4.1 共享存储方案
      2.4.2 镜像存储方案
    2.5 心跳控制组件heartbeat
      2.5.1 heartbeat 的组成
      2.5.2 heartbeat部署的集群结构
      2.5.3 heartbeat 的控制消息
      2.5.4 资源脚本
      2.5.5 heartbeat 的配置文件
    2.6 LVS 介绍
      2.6.1 LVS集群的结构
      2.6.2 LVS集群的分类
      2.6.3 LVS的调度算法
    2.7 小结
  第三章 Linux集群的高可用性模块的设计
    3.1 服务高可用模块的设计思路
    3.2 集群存储方案的论证
    3.3 HA集群方案的设计
      3.3.1 集群结构设计
      3.3.2 集群资源管理
    3.4 负载均衡集群方案的设计
      3.4.1 集群的结构设计
      3.4.2 LVS动态负载均衡调度算法设计
    3.5 集群的整合
    3.6 小结
  第四章基于Linux高可用集群的安全管理系统的实现
    4.1 安全管理系统简介
    4.2 安全管理系统的双机热备结构
    4.3 改进的动态负载均衡方案的实现
    4.4 小结
  第五章 系统测试与分析
    5.1 HA集群的故障切换测试
    5.2 负载均衡集群的性能测试
    5.3 小结
  第六章总结与展望
    6.1 集群发展的现状与展望
    6.2 论文总结
    6.3 下一步工作方向
  参考文献
  致谢
  作者攻读硕士学位期间发表的论文

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