摘 要 本文介紹了第四層交換技術(shù)的概念，技術(shù)原理以及如何使用第四層交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中的應(yīng)用服務(wù)器負(fù)載均衡。

作者：

凌仲權(quán)，現(xiàn)就讀于西安電子科技大學(xué)，2001級碩士研究生。主要的科研方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究以及遠(yuǎn)程教育的相關(guān)技術(shù)。

丁振國，西安電子科技大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院院長，西安電子科技大學(xué)電子商務(wù)研究所副所長，中國工程技術(shù)信息網(wǎng)副總工程師。主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息處理技術(shù)方面的研究與教學(xué)工作，電子商務(wù)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究等工作。

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　　1 引言

　　當(dāng)今世界已經(jīng)步入信息時代，隨著社會的迅速發(fā)展以及人們對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的不斷提高，對網(wǎng)絡(luò)速度及帶寬的要求不斷上升。正是在這樣的發(fā)展形勢下，許多高速交換的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。第二層交換實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)主機(jī)間的快速信息交流，第三層交換可以說是交換技術(shù)與路由技術(shù)的完美結(jié)合，而下文要詳細(xì)介紹的第四層交換技術(shù)則可以為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用資源提供最優(yōu)分配，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的負(fù)載均衡。

　　2 第四層交換技術(shù)

　　2.1 簡述

　　第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標(biāo)IP地址(第三層路由)，而且依據(jù)TCP/UDP(第四層)應(yīng)用端口號。第四層交換功能就像是虛擬IP，指向物理服務(wù)器。它傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。在IP世界，業(yè)務(wù)類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應(yīng)用區(qū)間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。

　　在第四層交換中為每個供搜尋使用的服務(wù)器組設(shè)立虛擬IP地址(VIP)，每組服務(wù)器支持某種應(yīng)用。在域名服務(wù)器(DNS)中存儲的每個應(yīng)用服務(wù)器地址是VIP，而不是真實(shí)的服務(wù)器地址。

　　當(dāng)某用戶申請應(yīng)用時，一個帶有目標(biāo)服務(wù)器組的VIP連接請求(例如一個TCP SYN包)發(fā)給服務(wù)器交換機(jī)。服務(wù)器交換機(jī)在組中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的VIP用實(shí)際服務(wù)器的IP取代，并將連接請求傳給服務(wù)器。這樣，同一區(qū)間所有的包由服務(wù)器交換機(jī)進(jìn)行映射，在用戶和同一服務(wù)器間進(jìn)行傳輸。

　　2.2 技術(shù)原理

　　OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負(fù)責(zé)端對端通信，即在網(wǎng)絡(luò)源和目標(biāo)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)所在的協(xié)議層。

　　在第四層中，TCP和UDP標(biāo)題包含端口號(port number)，它們可以唯一區(qū)分每個數(shù)據(jù)包包含哪些應(yīng)用協(xié)議(例如HTTP、FTP等)。端點(diǎn)系統(tǒng)利用這種信息來區(qū)分包中的數(shù)據(jù)，尤其是端口號使一個接收端計算機(jī)系統(tǒng)能夠確定它所收到的IP包類型，并把它交給合適的高層軟件。端口號和設(shè)備IP地址的組合通常稱作“插口(socket)”。分配端口號的最近清單可以在RFC 1700“Assigned Numbers”上找到。

　　TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所利用，這是第四層交換的基礎(chǔ)。具有第四層功能的交換機(jī)能夠起到與服務(wù)器相連接的“虛擬IP”(VIP)前端的作用。每臺服務(wù)器和支持單一或通用應(yīng)用的服務(wù)器組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被發(fā)送出去并在域名系統(tǒng)上注冊。

　　在發(fā)出一個服務(wù)請求時，第四層交換機(jī)通過判定TCP開始，來識別一次會話的開始。然后它利用復(fù)雜的算法來確定處理這個請求的最佳服務(wù)器。一旦做出這種決定，交換機(jī)就將會話與一個具體的IP地址聯(lián)系在一起，并用該服務(wù)器真正的IP地址來代替服務(wù)器上的VIP地址。

　　每臺第四層交換機(jī)都保存一個與被選擇的服務(wù)器相配的源IP地址以及源TCP 端口相關(guān)聯(lián)的連接表。然后第四層交換機(jī)向這臺服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)連接請求。所有后續(xù)包在客戶機(jī)與服務(wù)器之間重新影射和轉(zhuǎn)發(fā)，直到交換機(jī)發(fā)現(xiàn)會話為止。

　　在使用第四層交換的情況下，接入可以與真正的服務(wù)器連接在一起來滿足用戶制定的規(guī)則，諸如使每臺服務(wù)器上有相等數(shù)量的接入或根據(jù)不同服務(wù)器的容量來分配傳輸流。

　　2.3 具有第四層交換能力的產(chǎn)品

　　目前Berkeley Networks公司、Alteon Networks公司等公司都有比較成熟的第四層交換產(chǎn)品和模塊推出。Berkeley Networks公司的exponeNT e4和Alteon Networks公司的ACEswith 180兩款第四層交換產(chǎn)品具有突出的性能和靈活性，能夠比第二層和第三層交換機(jī)做出更智能的轉(zhuǎn)發(fā)決定。由于把包頭查詢的代碼嵌入到交換機(jī)中的專用集成電路(ASIC)中去實(shí)現(xiàn)上述功能，幾乎不會造成任何延時。這兩家廠商的交換機(jī)都能實(shí)現(xiàn)10M、100M和吉比特以太網(wǎng)功能，但是Berkeley的交換機(jī)是設(shè)計用于企業(yè)應(yīng)用的，而Alteon交換機(jī)則是用于擁有大量Web或FTP服務(wù)器的機(jī)構(gòu)的。Alteon的第四層交換技術(shù)能通過對服務(wù)器的性能和運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)不同服務(wù)器的健康狀況，將來訪的數(shù)據(jù)流量以經(jīng)濟(jì)高效的方式分配到合適的服務(wù)器上。同時，Alteon的第四層交換技術(shù)具有Web高速緩存重定向功能，能把指定發(fā)往遠(yuǎn)程Internet主機(jī)的HTTP通信攔截，并將這些通信重新定向到本地的高速緩存服務(wù)器上，從而大大加快了訪問Internet的速度，并節(jié)省了大量寶貴的廣域網(wǎng)帶寬。而且這對于用戶和信息提供者來說是完全透明的，不需要用戶和信息提供者做任何的設(shè)置。

　　Cabletron 公司的SmartSwitch Router和Torrent Networking Technologies公司推出的IP9000 吉比特 Router 也是具有第四層交換功能的產(chǎn)品。其中SmartSwitch Router可以實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)從常規(guī)第三層交換向全面的第三層、第四層交換功能的升級轉(zhuǎn)換，其獨(dú)特的廣域網(wǎng)集成能力以及基于第四層交換的訪問控制能力對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全、有序地進(jìn)行發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，Cabletron SmartSwitch Router基于第四層交換的QoS功能為特定業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)交換提供了不同級別的優(yōu)先處理能力。

　　3 使用第四層交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器負(fù)載均衡

　　以下設(shè)計來源于某高校網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心的實(shí)際應(yīng)用。通過Alteon的第四層交換機(jī)為遠(yuǎn)程教學(xué)提供各種應(yīng)用服務(wù)的負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

　　學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程交互學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的網(wǎng)絡(luò)中心配制了三組服務(wù)器，每組服務(wù)器包括若干臺具備相同內(nèi)容的服務(wù)器。其中有Web服務(wù)器組，教學(xué)服務(wù)器組，DATA(數(shù)據(jù)庫)服務(wù)器組。其中每組服務(wù)器組都配制一個虛擬IP。學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)訪問這些應(yīng)用服務(wù)器。每一組服務(wù)器都連接到Alteon的第四層交換機(jī)上，在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的負(fù)載均衡。

　　Alteon的第四層交換機(jī)監(jiān)測服務(wù)器的可用性，包括物理連接、服務(wù)器主機(jī)、服務(wù)應(yīng)用本身的健康狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某臺服務(wù)器不能提供相應(yīng)的服務(wù)時，交換機(jī)自動把該應(yīng)用請求分配到好的其他服務(wù)器。Alteon第四層交換機(jī)還可以通過設(shè)置每臺服務(wù)器能承受的最大會話數(shù)，設(shè)置溢出服務(wù)器、備份服務(wù)器等方法來進(jìn)一步保證服務(wù)器系統(tǒng)的可靠性。服務(wù)器在同一局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡時采用多種負(fù)載均衡算法，包括Least Connection、Round Robin、MinMiss和散列算法，以及對算法的加權(quán)等等。當(dāng)服務(wù)器不在同一局域網(wǎng)內(nèi)時，利用Alteon交換機(jī)的GlobalLoad Balance技術(shù)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)的合理性問題。

　　假設(shè)Web服務(wù)器組有三臺內(nèi)容相同的Web服務(wù)器S1、S2、S3。其中S1的真實(shí)IP是10.1.1.1，S2的真實(shí)IP是10.1.1.2，S3的真實(shí)IP是10.1.1.3。這個Web服務(wù)器組的虛擬IP為61.134.38.5。

　　當(dāng)同時有多個學(xué)生訪問我們的Web服務(wù)，Alteon第四層交換機(jī)接受到多個并發(fā)請求訪問61.134.38.5上的Web服務(wù)。此時，Alteon第四層交換機(jī)將會根據(jù)一定的算法將這些請求合理地分配給S1、S2、S3實(shí)現(xiàn)動態(tài)的負(fù)載均衡。

　　以上簡單介紹了第四層交換技術(shù)在服務(wù)器負(fù)載均衡方面的應(yīng)用。然而第四層交換除了負(fù)載均衡功能外還支持其他功能，如基于應(yīng)用類型和用戶ID的傳輸流控制功能。采用多級排隊技術(shù)，第四層交換機(jī)可以根據(jù)應(yīng)用來標(biāo)記傳輸流以及為傳輸流分配優(yōu)先級。此外，第四層交換機(jī)直接安放在服務(wù)器前端，它了解應(yīng)用會話內(nèi)容和用戶權(quán)限，因而使它成為了防止非授權(quán)訪問服務(wù)器的理想平臺。

　　4 總結(jié)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)由小型到中型到大型的發(fā)展趨勢，交換技術(shù)也由原來最初的基于MAC地址的交換，發(fā)展到基于IP地址的交換，進(jìn)一步發(fā)展到基于IP+端口的交換，如今也提出了第七層交換(基于內(nèi)容的交換)。本文對第四層交換技術(shù)作了一個比較全面的介紹，并將該技術(shù)應(yīng)用到教育系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器的負(fù)載均衡。可見，網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的不斷發(fā)展使得原來由基于數(shù)據(jù)的交換變成了基于應(yīng)用的交換，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的訪問速度，而且不斷地優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

　　

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于第四层交换技术的负载均衡的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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