校园网服务器集群负载均衡仿真分析

李晋超

（山西机电职业技术学院 信息工程系，山西 长治 046011）

1 引言

近年来大数据、云计算、人工智能等新技术发展迅速，有力的促进了高校由“数字校园”向“智慧校园”的全面升级，“智慧校园”对于高校的行政管理、教学科研、后勤保障等各方面提供了决策依据，并打破了种种屏障，使校园网各项功能相互融合，大大提升了高校的管理水平。

“智慧校园”校园网需要硬件设施作为基础，例如高带宽的出入接口，覆盖校园的无线设备，高配置的服务器等，作为校园网核心的服务器承载了大流量的数据传输，包括了HTTP、FTP、Video等网络服务。为了更好发挥服务器的作用，避免延迟、卡顿等现象发生，负载均衡（Load Balance）技术在服务器集群上的配置尤为关键，其含义是通过选择合适的策略把任务分摊在每个服务器上，最大程度提高服务器集群整体运行效果，是目前企业、政府、学校等应用较为普遍的解决服务器负载过高的一种有效途径。

利用OPNET软件模拟实现校园网服务器集群负载均衡技术并进行研究，这对我院建设“智慧校园”会有很大的帮助。OPNET是网络原理性研究和网络实践两方面完美结合的产物[1]，不仅可以用来研究网络协议并加以改进测试，还可以仿真验证网络规划方案的实施效果。作为当今先进的网络仿真软件，近年来被国内很多企业、大学广泛使用。

2 负载均衡主要算法简介

（1）轮循调度算法 （Round Robin Scheduling，round-robin），把请求执行的任务在服务器集群内部的服务器上依次执行，每次执行的服务器值为i=（i+1）mod n。

（2）随机算法（Random），每台服务器都会得到一个由伪随机算法得出的值，值为最大或最小值的服务器会优先执行请求任务，即每次调度执行i=rand(seed)[2]。

（3）最小负载优先算法（1east load first，LLF），就是把请求执行的任务分配给当前处理负荷最轻的服务器，此算法综合比较各服务器硬件条件及当前连接数据等情况。

（4）少连接数算法（Least Connection First，LCF）是动态算法，其观点认为连接少的服务器的负载较轻，能够快速响应网络服务请求，具备更强的服务能力。

3 建模仿真

3.1 建模

根据学院实际运行情况，在OPNET软件中构建相关的网络拓扑，见图1，其中包括了学生公寓、教学楼、行政楼、网络服务中心、实训中心几个主要部分。分别在Appliacation、Profile、客户端、服务器端相应配置了HTTP应用服务，在网络服务中心设置了三台硬件配置与操作系统都相同的服务器，通过路由器Load_Balancer与Router1相连，见图2；由于学生公寓、教学楼、行政楼、实训中心的用户较多，为了便于测试分别设置了7台客户机并通过交换机与外部路由器连接。

图1 网络拓扑图

图2 服务器集群连接

3.2 模拟仿真

通过在网络服务中心内的路由器Load_Balancer分别设置无负载均衡、轮循调度算法、随机算法、最小负载优先算法、少连接数算法生成五个场景，选择观察全局目标中的HTTP选项，节点中服务器CPU以及负载均衡选项，分别运行仿真时间1小时。

4 对比分析

首先对五个场景运行结束的全局目标HTTP结果进行对比，见图3，各场景的HTTP对象的响应时间差距不明显，设置无负载均衡的场景前期响应时间值较高，后期五个场景下的HTTP响应时间差别不大。再观察传输速率结果，见图4，结果前期显示采用轮循调度算法的结果好于其他算法，后期最小负载优先算法较优。

图3 HTTP响应时间对比

图4 传输速率对比

图5 CPU利用率对比

图6 传输速率对比

其次观察网络管理中心内部的第一台服务器的CPU利用率在不同算法下的运行结果，如图5显示，在没有使用负载均衡的情况下，服务器的CPU利用率明显高于采用了负载均衡算法的其他场景的值。由于本次模拟仿真只使用了HTTP一种网络服务，没有添加其它网络应用，没有使用负载均衡技术而导致的CPU利用率较高从而不利于其他网络应用的运行，影响了服务器集群的性能发挥。CPU利用率最小的是随机算法，依次是少连接数算法、轮循调度算法、最小负载优先算法。

图6显示结果为网络服务中心内部的路由器在通过设置不同的负载均衡策略下数据传输速率对比。当选择负载均衡策略为最小负载优先算法时，前期数据包传输值较高，但波动范围较大；而策略为少连接数算法时，前期数据包传输值较高，后期运行平稳；轮循调度算法被选用时，状态保持稳定，后期数据包传输值较高；随机算法的运行效果是最差的。

综合对比仿真结果，显示当路由器使用负载均衡算法为少连接数算法时，服务器集群提供网络服务效果较为理想，其他场景下差距较大，显示在当前工作环境下这种算法能够有效利用网络资源，达到良好服务的效果。

通过设置校园网服务器集群负载均衡技术，能有效地解决校园网用户在访问网络服务时存在响应时间较高的问题，充分利用了已有设备，避免了购置性能卓越的服务器高昂费用，避免了服务器单点故障造成数据流量的损失[3]。即使将来有新的网络服务增加到“智慧校园”当中，集群内服务器数量适当增加即可，大大减轻了管理人员的工作量并提高了工作效率。

5 总结

由于本实验只设置了HTTP网络服务，没有添加更多的网络应用以增加复杂度，会在以后的研究中在已知的算法上进行改进，也会在不同的服务器硬件配置及操作系统上进行试验，更好地为学院建设“智慧校园”服务，提高我院信息化工作服务水平。同时把通过OPNET对校园网服务器集群进行负载均衡模拟仿真的过程作为工作案例引入教学当中，这对我院积极推进的项目化课程改革也有着良好的促进作用。