铁路信息系统负载均衡的设计与实现
陕斌煜
（兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）
【摘要】随着现代信息技术的发展，铁路信息系统依靠大幅度提高单台服务器处理能力的方式已无法满足业务访问的需求，需广泛引入负载均衡技术来实现。对铁路信息系统负载均衡的设计与实现进行了探讨。
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关键词 铁路信息系统；负载均衡；设计；实现
随着铁路行业的高速发展，铁路覆盖地域也越来越广，员工数量也越来越多，为跟上铁路信息化的发展，铁路信息系统实现了初步的整合，但因铁路信息系统的网络和服务器的性能有限，铁路信息系统访问量和数据流量的高速增长，使单一的，服务器设备无法独自承担高强度的计算和不断增长的业务处理需求，加强服务器的数据处理能力，扩展服务器的吞吐量，使铁路信息系统负载均衡，是解决问题的有效方法。
1负载均衡技术概述
通过提供服务的一组服务器组成一个应用服务器群集(cluster)，并对外提供一个虚拟的地址。当一个服务请求被发至该群集时，根据服务器性能和网络健康情况，选择性能最佳的服务器响应用户的请求。充分利用所有的服务器资源，将所有流量均衡的分配到各个服务器。通过负载均衡技术制定合理的网络架构和合适的均衡策略，实现多台服务器或多条链路共同承担高强度的计算或I/O任务，提高网络访问的灵活性和可靠性。
2负载均衡的结构设计
铁路信息系统采用的是本地负载均衡结构，通过对本地服务器做负载均衡来解决业务访问量过大、服务器负荷过重的问题。负载均衡的拓扑架构主要有直连和旁挂两种方式。
2.1直连方式（如图1所示）
直连方式的负载均衡拓扑架构是通过对外部虚拟服务器IP地址与内部应用服务器IP地址设为不同网段的地址来实现负载均衡。因外部访问无法直接访问到应用服务器，对内部应用服务器在一定程度上起到了保护作用，减少了对外服务IP地址的使用量。
2.2旁挂方式
旁挂方式分为单臂模式和双臂模式两种。因双臂模式在铁路信息系统中的应用较少，本文主要就单臂模式作以研究。单臂模式如图2所示。
单臂旁挂方式是通过将对外部虚拟服务器IP地址与应用服务器IP地址为同一网段的地址来实现铁路信息系统的负载均衡。采用单臂旁挂方式解决了负载均衡端口数量不足的问题，可远程登录应用服务器直接进行维护，也可在负载均衡设备发生故障时，准确定位故障并及时采取应急恢复措施。
2.3拓扑结构的优点
1）全冗余连接方法，能够绝对保证网络没有单点故障的存在。
2）所有网络设备都是可以直接相连，减少网络层次和避免新的单点故障。
3）比较少的网络层次，避免运行维护时面对的大批网络设备。
4）灵活的扩展空间，用户可以根据实际的网络流量和压力增加链路带宽，添加防火墙或增加服务器来提高整体的服务水平 。
2.4拓扑架构的结合设计（如图3所示）
在设计负载均衡拓扑架构时，结合两种拓扑架构进行选择和设计，实现优势互补，更好的实现铁路信息系统负载均衡。
如图3所示，假定选择直连方式的负载均衡拓扑架构，负载均衡设备对内指向两组应用服务器，分别处理不同的业务访问请求。当一个外部访问请求通过三层交换机送达负载均衡设备后，负载均衡设备选择一台应用服务器（Server2)来响应访问请求，并将访问请求包的目的地址与端口转换成应用服务器Server2的网卡物理地址和设定的服务端口，再将数据包发给应用服务器Server2，应用服务器Server2对收到的访问请求暂时搁置，向数据库服务器发起一个新的查询请求。因数据库服务器和应用服务器Server2的IP地址不在同一网段内，故当数据库服务器执行完查询请求后只能将回应包发送到网关设备，即三层交换机。再根据三层交换机上的路由信息将回应包通过负载均衡设备转发给应用服务器Server2，应用服务器Server2结合数据库发来的信息，及时对外部访问请求作出回应，并返回给外部访问者。
3实现铁路信息系统负载均衡的方案
3.1负载均衡的实现过程
负载均衡的实现需要通过两类设备：服务器(SERVER)、分配器(DISPATCHER)。SERVER是给用户提供服务的计算机设备，DISPATCHER是根据客户和服务器的各种情况，通过一定的算法进行服务器的调动和分配工作的设备。
负载均衡设备对内指向一个服务器群，对外则构成一台虚拟服务器，通过虚拟服务器对外提供服务。负载均衡设备需要当外部的一个访问虚拟服务器的请求被送达负载均衡设备后，再根据预先定好的负载均衡算法，从服务器群中挑选一台性能最佳的服务器来响应用户的访问请求。在服务器处理访问请求并作出回应前，负载均衡设备要将访问请求包的目的与端口转换成服务器的网卡物理地址和设定的服务端口。当服务器处理回应访问请求后再通过负载均衡设备返回给外部访问者，从而实现一次完整的访问过程。
3.2负载均衡的实现方法
3.2.1HTTP重定向
HTTP的协议服务器有重新定位的功能，利用此功能，在应答包的投中加入LOCATION命令，将请求重新分配到其他服务器。或利用HTML文件中的链接，将网页的不同部分放在不同的服务器上。例如：利用HTTP的重定向功能，将一个站点的主体框架网页放在一台计算机上,再将网页上所有的图片放在一台专用的服务器上,音频文件放在另外一台服务器上,网页上其它的组成部分由不同的服务器提供,当用户连接主体网页的时候,就能减轻主体服务器的负载，达到负载均衡的目的。但是由于在HTTP重定向的实际使用中开销太大,速度有限,效率一般。
3.2.2TCP层法
当连接请求到达时，分配器监听TCP80端口会根据负载均衡算法转发到各个服务器，再由服务器将应答分发给分配器，分配器再发给用户。采用这种方法的弊端是容易造成分配器的瓶颈，使所有的用户都要通过分配器来访问服务器，降低了铁路信息系统的服务效率。
3.2.3TP层法
TP层法主要是运用NAT技术，由由分配器通过替换源IP地址和目的IP地址来实现中转。采用这种方法的弊端也是分配器瓶颈的问题。因为对于每一个这样的连接都需要在分配器中由相应的一个地址转换表进行操作,需要进行查找,替换,所以对分配器的要求很高。
3.2.4DNS法
DNS法主要是通过域名解析来实现。当域名解析时,分配器根据负载均衡
算法,确定给该用户提供服务的服务器,返回该服务器地址。采用这种方法，将用户与一个服务器相连接，大大降低了分配器的工作量，有效缓解了分配器瓶颈的问题，简单易行。
4结束语
铁路信息系统应用在不断的发展和变化，为适应铁路应用结构变化的需求，需要采用负载均衡技术来实现。利用负载均衡设备来实现网络链路、网闸和防火墙的流量及不同负载均衡设备组之间的相互映射等问题。在采用上述方法来实现铁路信息系统负载均衡的设计中，应注意对服务器负载状况的探知和服务器负载状况的评价。使统计的数据即使在数据不稳定的情况下，也能保持较高的数据可信度，根据应用系统的访问流程和特点，选择合适的参数，设计出合理、科学的负载均衡构架，达到铁路信息系统负载均衡的最佳使用效果。在今后的设计和使用中，还应对负载均衡技术做出深入的挖掘和研究，总结经验，实现铁路信息系统的负载均衡，更好的服务和促进铁路信息化的发展。
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参考文献
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［3］薛军,李增智,王云岚.负载均衡技术的发展[J].小型微型计算机系统,2003(12).
［责任编辑：邓丽丽］