局域网智能负载平衡系统的研究与应用
关键词：智能负载平衡 BGP 路
1.引
随着学校信息化的进一步加强，局域网与 Internet 的联系也越来越密切。从现有的网
络状况看，局域网现在已拥有了 2 条连接 Internet 的链路，分别为：100MBps 链路连接
到 中国 网通；100MBps 链路连接到大庆油田通信。这两条链路不但提供整个局域网用户
访问 Internet 的通道，同时也确保局域网的 Web 站点和 Email 系统的 Internet 通路。由于
我校非 ISP 运营商，无法提供 BGP 路由，故无法充分利用现有两条链路的带宽；同时对
外服务的 Web 和 Email 无法在某条 Internet 链路发生故障的时候自动切换到其余的链路上
，必须手工设置切换。然而，由于无法及时发现故障，常常导致故障持续较长时间才得到
修复，作为我校对外宣传服务的窗口，Web 站点和 Email 服务的稳定性将直接 影响 到我
校的形象。针对以上 问题 ，同时基于 目前 7 层网络交换技术的成熟 应用 ，提出了一个
从系统架构高度出发的解决方案，不但能够解决以上问题，而且能够进一步加强我校网络
的稳定性，并提供系统充分的扩展手段
2.负载平
负载均衡通过实时地 分析 数据包，将大量的并发访问或数据流动态地分发到多台节
点设备上分别处理，以提高响应速度，也可以把单个重负载的运算分发到多台节点设备上
并行处理。处理结束后，将结果汇总返回给用户，从而提高系统的处理能力
基本原
负载均衡的实现通常有软件和硬件设备两种。软件负载均衡的实现方式是指在一台或
多台服务器相应的操作系统上安装附加软件来实现负载均衡，如 DNS Load Balance 等。
虽然软成本低，操作简便，但是系统开销大，可扩展性差，又受制于操作系统，不适于大
型网络
硬件负载均衡的实现是直接在服务器和外部网络间安装负载均衡设备，由于它独立于
操作系统，使得整体性能得到大幅度提高，再加上多元化的策略，智能化的管理，可达到
最佳的负载均衡需求
负载均衡技术通常操作于网络的第四层或第七层。第四层为传输层，它负责在数据源
和目的系统之间协调通信。该协议层包括传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP
）；第七层为应用层，它控制应用层服务的 内容 ，提供了一种对访问流量的高层控制方
式，适合对 HTTP 服务器群的应用
第四层的负载均衡是将一个外部 IP 地址映射为多个内部服务器的 IP 地址，对每次
TCP 链接请求动态使用其中一个内部 IP 地址（内部 IP 地址采用虚拟 IP-Virtual IP）来达到
负载均衡的目的。负载均衡交换机根据源端口和目的端口的 IP 地址、TCP 或 UDP 端口和
一定的策率，在服务器 IP 和虚拟 IP 间进行映射，选取服务器群中最好的服务器来处理链
接请求
第七号层负载均衡技术则是通过对访问流量的高层控制来实现负载均衡的，它检查流
经负载均衡交换机的 HTTP 报头，根据报头内的信息来执行负载均衡的策略。这就是我们
所说的七层交换技术或 Web 内容交换技术
负载均衡使用哈希（HASH）算法来将链接的用户映射到基于 IP 地址、端口和其他信
息服务器群主机上。在检查收到的数据包时，所有主机均同步执行这种映射以迅速决定哪
个主机应处理该数据包。除非服务器群主机数量发生变化，否则该映射会保持不变
在负载均衡的设计方案上，首先要满足当前和将来的应用需要，同时必须对现有投资
进行保护；第一性能要高；第二要有高可靠性；第三扩展性要好，第四要有充分的灵活性
；第五要易于管理
3.局域网智能负载平衡系统的实
局域网负载均衡需求分析及目
根据局域网建设的总体设计方案要求，我们 总结 出网络流量管理的具体需求如下
国际网络连接的负载均衡，其中包括内部用户对外的访问流量和外部用户对内部服务
器的访问，要求在正常情况下两条链路上的流量是均衡的，在某链路故障时自动将其流量
切换到另外的链路，自动的透明容错，当链路恢复时自动将其加入到负载均衡中来
学校内部用户通过代理服务器的负载均衡机制来实现对互联网的的访问，多台代理服
务器同时并行工作，某台服务器发生故障时由负载均衡产品自动检查到，并且将其从服务
器群组中排除，透明的容错，避免单台代理服务器的性能瓶颈问题
对两台 NS500 防火墙的负载均衡，包括 External，Internal，DMZ 的端口的负载均衡
；要求在正常情况下两台防火墙上的流量是均衡的，在某台防火墙故障时自动将其流量切
换到另外的防火墙，自动的透明容错，当故障的防火墙恢复时自动将其加入到负载均衡中
来
均衡系统具备灵活的扩展空间，根据实际应用的需求灵活投资，提高整体服务能力
学校 Internet 链路负载均衡方
针对以上提出的需求分析，我们充分分析目前局域网的实际状况，结合 4～7 层网络
交换机在国际上网络优化案例的经验，总结出以下流量管理和均衡解决方案
方案采用两台 7 层 IP 应用交换机 LC Catalyst 2400 分别提供防火墙和服务器的负载
均衡服务。7 层 IP 应用交换机之间的容错可以通过 Fail Over Cable 实现，同时 7 层 IP 应
用交换机可以通过 Fail Over Cable 检查对方的运行状态，复制对方的所有的 Session 和状
态信息。LC Catalyst 2400 对 ISP 国际网络接入流量的负载均衡实现方法如下
在双 ISP 接入时，每个 ISP 接入都单独采用一台接入路由器，紧跟路由器的后面连接
两台 LC Catalyst 2400，两台 LC Catalyst 2400 做冗余备份，两台 Link Controller 之间有
专用的心跳线检测检测备份的激活设备的状态，其后连接两台防火墙，对两台防火墙采用
冗余连接方式。防火墙外网的默认路由指向 LC Catalyst 2400；接入路由器的默认路由指
向 ISP 端的路由器。这样确保在一台防火墙出现故障时可以通过另外一个访问 Internet
从内网至 Internet 流量的负载均
(1) Link Control 上为两个默认路由端建立路由组 VIP=0．0．0．0
(2) Link Control 依据预先设定的策略以及当时线路状况动态智能选择外出流量通过的
路由
(3) 若有必要 Link Control 可以作相应的地址转换工作，将用户的地址依其将通过的
ISP 转换成相应网段的地址，以确保返回的数据包从同一链路返回
从 Internet 进入的访问流量负载均
(1) 相应二条路由建立 2 个对应的虚拟服务器，各自的地址分别属于 2 个 ISP 的网段
(2) Link Control 内置了 3DNS 功能完全替代了传统的 DNS 功能，同时又增加了对各
个虚拟服务器的状态和可达链路的状态的监控，确保提供给用户真正能够提供服务的服务
器
(3) 用户请求 petrodaqing．com 均由 Link Control 进行解析，Link Control 可依据用
户在 27 种策略中选定的方案分配用户通过哪条链路访问，或者完全由 Link Control 实现
动态分配
(4) Link Control 可同时监控服务器的状态和链路状态，并且监控链路状态时可以看该
链路上的多个 HOP
方案特
提供多台防火墙的负载均衡能力
提供在线维护防火墙的 方法
解决了单台防火墙的处理能力瓶颈 问题
提供了系统的扩展能力
4.局域网代理服务器机群负载均
我校局域网通过代理服务方式访问 Internet 的结点有 1 万台，由于受到单台代理服务
器的性能瓶颈和系统故障等问题， 影响 了访问 Internet 的稳定性。为此我们采用代理服
务器的负载均衡机制解决这一问题
我们在七层交换机设置虚拟 IP 地址（VIP 由 IP 地址和 TCP/UDP 应用 的端口组成，它
是一个地址）来为用户的一个或多个目标服务器。因此，它能够为大量的基于 TCP/IP 的
网络 应用提供服务器负载均衡服务。七层交换机连续地对目标服务器进行 L4 到 L7 合理
性检查，当用户通过 VIP 请求目标服务器服务时，BIG/IP 根椐目标服务器之间性能和网络
健康情况，选择性能最佳的服务器响应用户的请求。如果能够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，这样就可以有效地避免“不平衡”现象的发生。七
层交换机是一台对流量和 内容 进行管理分配的设备。它提供 12 种灵活的算法将数据流
有效地转发到它所连接的服务器群。而面对用户，只是一台虚拟服务器。用户此时只须记
住一台服务器，即虚拟服务器。但他们的数据流却被 L7 灵活地均衡到所有的服务器。这
12 种算法主要包括
·轮询（RoundRobin）：顺序循环将请求一次顺序循环地连接每个服务器。当其中某
个服务器发生第二到第 7 层的故障，BIG/IP 就把其从顺序循环队列中拿出，不参加下一次
的轮询，直到其恢复正常
·比率（Ratio）：给每个服务器分配一个加权值为比例，根椐这个比例，把用户的请
求分配到每个服务器。当其中某个服务器发生第二到第 7 层的故障，BIG/IP 就把其从服务
器队列中拿出，不参加下一次的用户请求的分配，直到其恢复正常
·优先权（Priority）：给所有服务器分组，给每个组定义优先权，BIG/IP 用户的请求
，分配给优先级最高的服务器组（在同一组内，采用轮询或比率算法，分配用户的请求）
；当最高优先级中所有服务器出现故障，BIG/IP 才将请求送给次优先级的服务器组。这种
方式，实际为用户提供一种热备份的方式
·最少的连接方式（LeastConnection）；
·最快模式（Fastest）
·观察模式（Observed）
·预测模式（Predictive）
·动态性能分配（DynamicRatio-APM）
·动态服务器补充（DynamicServerAct．）
·服务质量（QoS）；
·服务类型（ToS）
·规则模式
方案特
实时监控服务器应用系统的状态，并智能屏蔽故障应用系统
实现多台服务器的负载均衡，提升系统的可靠性
可以监控和同步服务器提供的内容，确保客户获取到准确可靠的内容
提供服务器在线维护和调试的手段
5.结束
本文介绍了我校局域网 Internet 出口智能负载平衡系统的实现方法，它成功的提高了
整个网络运行的稳定性和安全性，保证了用户的高速可靠访问，避免了防火墙等关键网络
设备出现单点故障；同时它提出了利用负载均衡器来实现对防火墙作负载均衡的解决方案
，这将有力的保护了用户投资。在未来的 企业 信息化的建设中，负载均衡技术将会发挥
更大的作用
参考 文献
[美] Karen Webb 著．李逢天等译．组建 Cisco 多层交换网络．北京：人民邮电出版
社，200
