负载均衡器集群协同系统的研究与实现

摘要

云计算技术经过多年的发展，已经进入了成熟和规模应用阶段。而作为云计算的重要支撑，负载均衡技术近几年也成为了业界关注的重点。事实上，在传统应用交付领域，负载均衡之前已经应用非常广泛了，但是近年来大规模的数据中心的部署，使它焕发了新的生命力。
　　但是在新兴的云计算应用领域，需要负载均衡器具备集群功能，既支持一主多备，又要保负载均衡器集群节点的利用率，传统的负载均衡产品已经不能完全满足这些业务需求。本项目的研究主要针对现有软件负载均衡器在集群方面的不足进行研究，基于开源软件系统LVS（Linux虚拟化服务），HAProxy（应用层代理服务器），Keepalived（基于虚拟化路由协议的高可用软件），Quagga（Linux下的开源路由器软件），Zookeeper（基于Paxos算法的开源分布式部署框架软件）进行改进，在Linux操作系统上实现了一种支持多流量组多备份结构的负载均衡集群系统，使得负载均衡系统的可靠性更高，流量负载在集群中更平均的分摊处理，同时充分利用集群系统中各节点机的处理能力。
　　本文讨论了负载均衡的应用背景和所面对的问题，介绍了现有主流的软件负载均衡的研究现状，并分析了其技术实现原理。首先，对Keepalived所使用的VRRP（虚拟化路由协议）进行了升级改造，设计了一种新的LBCP（负载均衡集群协议）通信协议，将业务负载划分为不同的流量组，每个流量组生成对应的节点列表，节点列表中的每个节点分配相应的优先等级，优先级最高的为主节点，其它节点都为备用节点，以此实现每个流量组1+N冗余部署，此设计能够满足在完全不改变负载均衡软件LVS、HAProxy的架构下实现其集群部署；然后，采用Zookeeper来实现集群节点的配置数据和会话数据的实时同步，保证了集群系统的数据一致性。当某个流量组的主节点发生故障或者管理员执行手动切换时，优先级最高的备用节点切换至主节点，使用Quagga的OSPF（开放式最短路径优先）路由注入方式来实现流量切换，相比Keepalived所使用的VIP（虚拟IP）切换方式更加灵活、可靠、实用性更强。
　　最后在此基础上，我们通过搭建实验系统来模拟多流量组多备份的应用场景，然后通过手动关闭某个节点系统来模拟故障，对负载均衡器集群功能、集群数据一致性、OSPF流量切换进行了实验验证和实验结果分析，并对其应用场景做了阐述，整个系统实现了预期效果。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 解决主要问题

1.4 本文的主要工作

1.5 论文的组织架构

第二章 相关技术

2.1 Linux虚拟化服务LVS

2.2 应用层代理服务HAproxy

2.3 高可用服务Keepalived

2.4 路由器服务Quagga

2.5 分布式高可用服务Zookeeper

第三章 总体设计

3.1 集群系统架构设计

3.2 集群数据一致性设计

第四章 负载均衡器集群协同模式

4.1协同协议与数据同步

4.2 流量快速切换

第五章 实验验证

5.1 测试环境

5.2 实验测试

5.3 结果分析

结论

参考文献

声明

致谢