數字化校園中Web集群技術的應用論文

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摘要隨著數字化校園建設的發展，高性能計算機集群系統的應用也變得越來越普及。介紹了數字化校園中集群服務系統的的概念和負載平衡特性，重點闡述了在數字化校園中以教務管理系統、科研管理系統、辦公管理系統為例如何創建一個web集群。

關鍵詞數字化校園；負載平衡；Web集群；創建

1引言

數字化校園網上依托Web技術開設的許多功能，使得Web服務器不僅需要提供更多的應用服務，而且要對不同的請求作出快速響應。因此，加重了Web服務器負荷，導致其性能下降。為了解決這個問題，從而提高整個系統的高可靠性、高性能，可采用創建Web集群的具體解決方案。

2數字化校園的概念

數字校園建設是學?，F代化建設的基礎，是學校信息化建設的具體目標。數字化校園用層次化、整體的觀點來實施校園信息化建設，將校園網上信息進行更好的組織和分類，讓用戶在網上快速發現自己需求的信息。為師生提供網上信息交流環境，讓管理人員科學地、規范地管理自己的數據，并將這些信息方便地出去。它是以網絡為基礎，利用先進的信息化手段和工具，實現從環境(包括設備、教室等)、資源(如圖書、講義、課件等)到活動(包括教、學、管理、服務、辦公等)的數字化，在傳統校園的基礎上，構建一個數字空間，拓展現實校園的時間和空間維度，提升傳統校園的效率，擴展傳統校園的功能，最終實現教育過程的全面信息化，從而達到提高教學質量、科研和管理水平與效率的目的。能否建立一個現代化的數字化校園已經成為衡量高校綜合競爭實力的一項重要指標。

數字校園建設的主要內容是實現基于教學、科研、管理、生活的各種服務應用信息化建設工作，包括網絡基本服務、數據倉庫、各類應用支撐系統、信息服務系統、組織管理、學校社區服務、教學活動、公共服務、學術研究等，從而將校園網絡及其應用系統構成整個校園的神經系統，完成實現校園的信息傳遞和服務。

3數字化校園中的Web集群

3.1集群的概念

集群(Clustering)廣義來說，集群就是相互獨立的一些系統的集會。它們利用高速通信網絡將這些系統按某種結構進行高速互聯，這樣所構成的一個計算機組叫集群[1]。構成集群的目的是為了提高系統的整體性能、系統的可用性和規模的可擴展性。在集群系統中，每臺服務器都承擔相應的子任務，因而服務器的個數將與工作效率呈正比例增長。對程序員和用戶來說，集群系統就是一個整體的并行系統[2]。

3.2負載平衡

負載平衡(LoadBalancing)是指在一個Web集群中的多臺服務器之間均衡地分配客戶請求。一般地，負載平衡能增加系統吞吐率，而同時保持較低的響應時間。通過使用嵌入到Windows2000Server中的NetworkLoadBalancing，主機能夠檢測每一個來訪的IP報文，只有符合接收條件的才接收它。每個NetworkLoadBalancing主機可以指定它將處理的報文百分比。作為一個選項，報文也可以平等地在所有的主機之間進行分配。如果一個主機故障，則負載平衡機制就會在剩余的主機之間重新分配報文。

3.3Web集群

Web集群是由任意多臺計算機組成的一種Web站點。當設計者創建Web集群時，可以選擇三層Web體系結構(由Web服務器程序，COM+應用程序和數據庫應用程序組成)。三層體系結構的優點是設計者可以將以下的各層次任務分散到不同的服務器上，而不是將它們都結合在一臺服務器上(如圖1)。

圖1

使用若干臺低成本服務器，設計者可以很容易地處理大量的客戶請求，而不會產生任何不必要的延時。在多臺計算機之間共享負載對于院校用戶支持重量級應用程序是至關重要的：例如，處理行政事務，訪問數據庫，支持學校Intranet以及執行其它重要的日常活動。

4Web集群在數字化校園中的負載平衡特性

NetworkLoadBalancing和ClusterService可以增強任何設施的安全可靠性。將它們分組是一種功能強大的方法，用來將后端數據庫和事務系統與基于Web的前端相結合，從而有效地提供給用戶所需的可伸縮性、客戶要求的高可用性。下面列出相應的解決方法(如圖2)，并給出如何將它們集成到一個三層配置中的實例。

NetworkLoadBalancing平衡那些主要由入站TCP/IP通信產生的負載。管理員可以在第一層上建立LoadBalancing，并且在集群的Web服務器上平衡站點的訪問。ClusterService是管理員對那些要求高可用性的數據庫服務進行分組的理想選擇，這些數據庫服務可以是MicrosoftSQLServer7.0或其它數據敏感應用。管理員可以在第三層上建立ClusterService，以完成諸如用戶訪問數據庫的任務。

5在數字化校園中創建Web集群

通過將這兩個負載平衡的特性結合起來，這些特性將是三層體系結構應用程序的理想支持。例如，如果數字化校園平臺建設基于Web的教務管理系統、科研管理系統、辦公管理系統(如圖3)，則可以建立如下的集群。

●在多臺服務器上建立前端、用戶界面(UI)層，使用NetworkLoadBalancing以平衡和分配客戶TCP/IP連接。當通信量增加時，升級已有的集群或者添加計算機到配置中。這樣就保證站點不論什么時候都能夠處理訪問請求。

●使用ClusterService，以便為應用程序和三層應用程序的數據服務層提供結點故障接管功能。這將創建一個可靠的平臺用于數據庫、消息和類似的應用服務。

●下面將舉例說明如何創建Web集群服務器。

5.1硬件需求

為了建立用于基于Web的教務管理系統、科研管理系統、辦公管理系統，設計者需要利用WebApplicationStressTool(該工具允許設計者模擬測試站點上具有幾千個用戶負載的情況)來確定實際需要多少臺Web服務器來滿足一個特定的應用。在測試了單臺服務器之后，設計者可能會發現服務器CPU的利用率特別高，而高速緩存命中率很低，并且在隊列服務器中還留有許多請求。與SystemMonitor工具相結合，設計者可以很容易地確定一臺單一的Web服務器的負載極限。Web服務器的主要瓶頸在于HTTP層，為了打破該瓶頸，設計者應該增加Web服務器。例如，可以添加三臺Web服務器以組成Web集群的第一層。

5.2創建第一層

隨著三個新Web服務器的加入，設計者現在必須通過運行NetworkLoadBalancing來平衡這四個服務器間的請求負載。四臺服務器從客戶角度來看只是一臺服務器。因為設計者只分配一個IP地址給一個集群中的三臺服務器，因此管理集群十分容易。通過配置一臺DNS服務器，設計者可以使用IP地址192.168.18.10建立。該IP地址代表了集群中的所有主機(此時為三臺服務器)。

通過這種配置，設計者可以將站點拓撲結構由一臺Web服務器改變為四臺?，F在可以使用WebApplicationStressTool再次測試應用程序，將會看到性能立即得到了改善。接下來，再次測試集群，但這次要使用幾千個用戶進行模擬，確認站點消耗的資源遠小于單臺計算機運行IIS5所消耗的資源。如果應用程序需要更高的可用性，則可以添加更多的主機，最多為32臺。

通過建立一臺開發服務器(例如)，設計者可以在此服務器上內容和測試其應用程序，而后能夠將所有的授權和開發移交給服務器。設計者在開發服務器()上安裝了FrontPageServerExtensions后，用戶就可以使用FrontPage連接到一臺開發服務器，寫入內容以及創建應用程序，而不用將應用程序引入到Web產品服務器上。

一旦數據已準備好用于產品，則使用SiteServer3.0的ContentDeployment特性將數據從階段服務器復制到Web服務器產品上。在四臺Web服務器間必須相同復制的單元是Web內容。當設計者需要復制數據時，ContentDeployment將很容易地實現該過程，從而可以節省大量時間。

當站點規模增長時，需要為每臺服務器設置一個獨立的日志文件。如果四臺服務器在同一個Web集群中，則必須分析四個單獨的日志文件，可以預先地將所有日志導入到一個源中來幫助簡化任務。SiteServerUsageAnalyst給設計者提供了一種簡易的方法將這些文件導入到一個源中，而后設計者可以生成定制報告來表示Web站點上的所有通信量。

設計者添加了服務器、創建了開發服務器并且簡化了日志后，就將會注意到站點變得十分復雜。為了處理增加的復雜性和應用程序數量，設計者就需要創建其它層，以便維持Web站點的有效性和性能。

5.3創建第二層

當ASP應用程序與Windows2000組件一起相結合運行時，站點很快會變得更為復雜。ASP應用程序可以被認為是將表示層連接到應用和數據服務層的中介。ASP提供了一種豐富而強有力的開發環境。但如果真的要增加應用程序的整體性能，應考慮添加COM+組件。

使用ASP應用程序調用一個包含用戶業務邏輯的組件，該組件駐留在第二層的應用程序服務器上。一個應用程序服務器可以簡單地是一個Windows2000Server，它主要為組件提供處理器功能。

至此，駐留在第一層Web服務器上的ASP應用程序調用第二層應用程序服務器來處理業務邏輯。該處理過程的一部分會請求組件從位于第三層的后端數據庫中提取數據。

5.4創建第三層

為了在第三層獲得高可用性，設計者需要安裝ClusterService。為了存儲所有組成第三層的后端數據，大多數企業級用戶都需要一臺高端對稱多處理(SymmetricMultiProcessing，SMP)服務器(例如，一個8個處理器的SMP，帶有4GB的RAM)，以運行SQLServer7.0等大型關系數據庫。ClusterService可以處理任務緊急的數據庫管理、文件和Intranet數據共享、消息機制以及通用業務應用程序。

最好再添加一臺服務器用于故障處理，而不是僅僅依靠一臺高端Windows2000Server。

綜合起來，這兩臺服務器為訪問請求提供了更高的可用性，并且簡化了管理數據和應用程序的任務。ClusterService不僅允許設計者將兩臺服務器連接到一個集群中(如圖4)，而且也可以自動地檢測并恢復服務器和應用程序故障。另外，它可以巧妙地處理服務器操作的工作負載，使管理員在不必關閉服務器的情況下進行維護規劃。

圖4

如果一個單獨的應用程序故障(但服務器沒有故障)，則ClusterService將試圖重啟同一服務器上的該應用程序。如果仍然失敗，則ClusterService將該應用程序的資源轉移到另一臺服務器上，并且在該服務器上重啟該應用程序。

6總結

由于用戶的應用程序需要很高的可用性、可伸縮性和性能，因此設計者需要創建一個三層Web體系結構，并且對每個層次使用具有高可用性的Microsoft技術。而后使用WebApplicationStressTool測試單臺服務器并實現它。為了獲得更高的可用性，則需要創建Web集群。一般情況下，可以算出三臺服務器已經足夠了。而后安裝NetworkLoadBalancing，并且這三臺服務器實質上被看作一臺服務器。接下來，設計者應該添加第四臺Web服務器作為開發階段服務器，以便用戶可以內容到該服務器上。為了復制已開發的內容，設計者在階段服務器和Web服務器產品上應使用SiteServer3.0的ContentDeployment特性。為了增強第二層的性能，設計者要添加一個COM+應用程序，并且使用來自第一層的ASP應用程序來調用來自第二層的預編譯組件。另外，這些第二層組件會調用第三層數據服務。運行SQL7.0的一個高端SMP服務器組成了系統的第三層。為了獲得高的可用性，設計者應添加ClusterService來確保系統是一個具有容錯能力的故障接管系統。這種拓撲結構提供了高可用性和可伸縮性，盡管存在可預見的故障(例如服務停止或硬件升級)或者不可預見的故障(例如硬件故障或軟件完整性丟失)。

本論文不僅分析了集群技術在數字化校園網中的負載平衡特性，而且給出了其高性能應用的具體實現框架。Web集群技術在數字化校園網中的應用不僅能夠大大地提高學校的資源利用率，而且能夠有效地、及時地完成吞吐量大的科學計算和商業數據運算。Web集群技術隨著服務器硬件系統與網絡操作系統的發展將會在可用性、高可靠性和系統冗余等方面得到進一步地提高和完善。

參考文獻

[1]胡凱．《集群計算》．計算機世界，2001-02

[2]LinuxClusteringwithCSM&GPFS，IBMRedbooks，http：///

[3]Microsoft公司.《Win2000DirectoryServices基礎結構設計》.北京大學出版社，2001-05

[4]劉東遠，駱珍儀.“在校園網實施部署集群服務”.中山大學學報論叢，2003年第23卷第3期，P212-215

[5]鄧子梁.《圖解精通Windows2000Server》.中國水利水電出版社，2001-11