网络应用系统服务器集群技术研究

　　一个典型的基于多层客户／服务器模型的应用框架是j2EE体系结构，它适用于构建灵活而又复杂的Web应用。客户端只需安装Web浏览器即可，用户通过Web页面提交请求并获得结果；Web服务器一方面负责接收来自浏览器的用户请求并转交给应用服务器，另一方面负责接收来自应用服务器的计算结果并组织成Web页面返回给客户端；应用服务器负责具体的逻辑计算，必要时访问数据资源服务器以获得计算所需的数据资源；数据资源服务器只负责应用数据的保存与维护，并对外提供访问数据的接口。
　　在业务量快速增长的关键应用处理系统中，其中的Web服务器、应用服务器、数据服务器及其管理的数据都必须考虑其可扩展性及容错性。
　　为了实现这个目标，以集群的方式构造各种服务器拥有最佳的性价比。当然，随之而来的是负载平衡的实现等问题。
　　
　　1、 服务器集群的目标分析在设计服务器集群方案时，应主要基于下列目标考虑：
　　（1）可伸缩性：能够方便地随着业务的发展增加集群中的计算机。通过调整硬、软件配置可适应不同的网络拓扑结构、不同的信息流量规模。
　　（2）负载平衡：网络信息流量在本地多台服务器之间、甚至在异地多台服务器之间得到比较均衡的分派；请求流量在多个机器的多个服务进程之间得到均衡的分派。
　　（3）容错：可以支持服务器和数据的多备份容错。通过集群管理软件能够有效监视服务器的健康状况，并根据健康状况动态调节服务器的负载。当服务器出错时，可自动将客户请求分派至其它正常工作的服务器。支持数据的动态备份，甚至异地的数据动态备份，支持数据一致性。
　　
　　2、 实现技术一般来说应用系统的业务扩展是渐进的，服务器集群系统结构应具有良好的可伸缩性及容服务器错和存储设备错的特性。
　　考虑各种服务器的角色不同，对不同的服务器可以采用不同的负载平衡方法。在大型网络应用系统中，可以按照Web服务器、应用服务器、数据服务器及其管理的数据组织方式不同，在请求流向的不同层次实现负载分派。
　　2.1 功能分布式集群将Web服务器、应用服务器、数据服务器分布到不同的硬件服务器，每种功能服务器由多个硬件服务器结点组成集群。
　　Web服务器的负载分派由分派器实现，应用程序服务器及数据库服务器集群的负载平衡则可通过多种途径实现。通常可以开发负载平衡函数，这些函数按照负载平衡原则或数据分布原则选择应用服务器或数据库服务器。应用程序编程时，调用这些负载平衡函数来确定请求集群中哪一个服务器，如利用J2EE平台的支持（WebLogicServer的HttpClusterServlet类）与应用编程的配合。
　　（1）负载分派器：在应用处理服务器系统中，负载平衡能够使信息流量智能地分布到web服务器。
　　（2）Web服务器：这些服务器运行Web服务器软件，如微软的因特网信息服务（IIs）或A.pache。服务器使用这些软件处理和分派所得到的Hr兀‘P请求，返回超文本文件（HTML）或可扩展标志语言（XML）网页内容，使用简单的配置，请求通常被服务器附带的脚本技术所处理。例如，CGI、servlets、JSP、ASP等脚本程序能够通过后端软件组件和API访问数据库其它企业应用程序，可以通过负载平衡函数选择向对应的数据库服务器或企业应用服务器发送请求。
　　（3）应用服务器：应用服务器软件实现了应用系统的业务逻辑。通常采用标准的组件结构，如Java2企业版本（J2EE）规范。
　　（4）数据服务器：连接数据存储媒介，运行分布式或集群数据库管理系统。
　　2.2 对称服务器集群模式网络拓扑。每台计算机（或处理机）同时运行Web服务器、应用服务器、数据服务器实例，并且每台计算机（或处理机）功能相同。
　　所有发往应用处理系统的客户端请求，在请求到达前由负载平衡域名服务器或其它负载平衡部件按系统负载情况选择将请求发往指定服务器。
　　这种结构要求服务结点功能完全相同，而且都能访问系统的任何数据，故一定要有共享的数据存储系统，如支持NAS或SAN的文件系统或支持NAS或SAN的数据库管理系统。
任何一个节点的故障都会反映到负载平衡部件，由负载平衡部件删除该节点。系统数据的动态备份由文件系统或数据库管理系统实现。
　　2.3 容错设计服务器容错可以通过设置冗余服务器方式实现，通常可以利用动态热备份或可均衡负载的集群实现。存储部件的容错需要实现数据备份。利用镜像盘或异地存储实现动态热备份是当前的主要备份手段。
　　存储数据的一致性问题也是容错需要解决的问题，主要有以下两个层面：数据的完整性及冗余数据的一致性，主要通过原子事务机制及备份机制实现。
　　2.3.1 数据备份实现存储部件容错数据的不断增长，使得数据存储、数据备份和灾难恢复成为引人关注的话题。在日常工作中，人为操作错误、系统软件或应用软件缺陷、硬件损毁、电脑病毒、黑客攻击、突然断电、意外宕机、自然灾害等诸多因素都有可能造成计算机中数据的丢失，给企业造成无法估量的损失。因此，数据备份与恢复对企业来说显得格外重要。
　　一般来说，各种操作系统都附带了备份程序。
　　但是，随着数据的不断增加和系统要求的不断提高，附带的备份程序根本无法满足日益增长的需求。要想对数据进行可靠的备份，必须选择专门的备份软、硬件，并制定相应的备份及恢复方案。
　　只有把自动备份方案与智能型恢复功能搭配起来，才能真正保护数据，减少停机时间。备份并不是一件简单的事情，必须要与现有系统的存储设备、系统平台与业务系统、数据库等完全兼容。目前，企业常用的备份方式有以下几种：
　　（1）定期备份。即定期用磁带备份数据，异地存放，并在磁带存放地点配置一套完整的备用计算机设备、网络通信设备、电源设备。当备份系统未启动时，与生产设备、终端用户之间没有通信线路。一旦发生灾难，在备份机上恢复数据，在备份系统与终端用户之间建立通信线路，然后启用备份系统恢复终端服务。
　　（2）远程磁带库、光盘库备份。将数据传送到远程备份中心制作完整的备份磁带或光盘，一旦发生灾难，在备份系统与终端用户之间建立通信线路，然后启用备份系统恢复终端服务。
　　（3）远程关键数据加磁带备份。采用磁带备份数据，生产机实时向备份机发送关键数据，一旦生产机发生故障，在备份机上通过关键数据及备份磁带恢复数据和应用系统运行环境，营业终端用户切换到备份机，继续提供服务。
　　（4）远程数据库备份。在与主数据库所在生产机相分离的备份机上建立主数据库的一个拷贝，通过通信线路将生产机的数据库日志传到备份机，使备份数据库与主数据库保持同步。备份机与终端用户之间预留通信线路，一旦发生灾难，备份数据库变成主数据库，接替生产机恢复向终端用户服务。数据库复制技术只能处理数据库数据，对非数据库数据则无能为力。
　　（5）网络数据镜像。对生产系统的数据库数据和所需跟踪的重要目标文件的更新进行监控与跟踪，并将更新日志通过网络实时传送到备份系统，备份系统则根据日志对磁盘进行更新，以保证生产系统与备份系统数据的同步。
　　（6）远程镜像磁盘。通过高速光纤通道线路和磁盘控制技术将镜像磁盘延伸到远离生产机的地方，镜像磁盘数据与主磁盘数据完全一致，更新方式为同步或异步。一旦生产机或主磁盘出现故障，备份机可接替生产机运行，快速恢复终端用户服务。
　　一般现在专业的存储厂商都能够提供从磁带库备份到远程镜像磁带一系列的技术和产品。比如专注于存储管理软件供应的VERITAS公司，不仅可以为用户提供先进的远程容灾方案，也能够为用户提供永久的磁带备份解决方案。
　　2.3.2 负载分担的动态备份系统在前述备份方案中，备份数据不可以同工作系统同时承担系统数据访问的负担。备份数据的管理系统在正常情况下不面向用户提供数据访问能力。如何充分发挥各联机存储部件和数据库服务器集群的最大效益是目前容错技术的难点。
　　当前，SAN存储技术比较好地实现了数据库服务器集群对存储部件的共享，但成本偏高。
　　NAS技术基于存储部件与文件或数据库服务器连接捆绑，容易出现因为服务器故障引起存储部件不可访问的问题。这就使得存储部件的备份要求服务器也有备份。
　　当用户进行写数据操作时，支持动态备份的数据库服务器同时向另一服务器发送写数据请求，保证另一存储设备数据同步保持一致性，当然还可以利用镜像盘阵来实现存储冗余。这时，用户写操作时数据库服务器向盘阵控制器发写请求，盘阵控制器同时向两镜像存储部件写数据。当用户渎数据操作时，两个数据库服务器都可以接受读请求，分担了读数据负担。能分担读请求的双机动态互为备份的系统产品有GDS双子星容错系统、ROSE HA双机容错系统等。
　　如果采用数据库服务器集群，可以采用动态数据备份结构，为集群的每个数据库服务器设立一个冗余服务器和存储部件。
　　利用SAN结构实现数据与数据库服务器的冗余结构如图5所示。ORACLE和VERITAS都提供了对SAN结构支持的产品。
　　
　　3、 结束语
　　在对网络应用系统进行规划设计时，应充分考虑负载分担及容错结构设计，深入了解、规划应用处理系统组成及结构，配合网络应用系统的设计，提出并开发容错及集群结构和软件。如何使负载平衡实现与用户编程无关是值得继续探索的问题，另外对负载分担的动态备份系统当存储设备出错时，如何联机修复并恢复数据、切换回工作状态等都值得我们进一步深入探讨。