摘要：针对高等院校园网内部良好的带宽现状和基于网络教学应用的实际需要，研究在网络教学平台的设计和开发中，如何应用服务器群集技术来分担业务量，并在Web服务器集群内通过采用resin解析的软件负载均衡技术，来解决由于大规模并发访问引起的核心网络设备过载，网络瓶颈和网络拥塞等问题。依据实验得到的数据，论证负载均衡技术在网络教学平台中应用的实际效果。

　　【关键词】 网络教学平台、服务器群集、resin解析、负载均衡

　　1 引言

　　随着校园网硬件环境的不断完善，人们将需求的目标转向网络应用环境和信息化资源建设。基于环境的学习是一种新的教育理念，其理论基础是建构主义学习理论。建构主义学习理论认为学习环境的创设是知识建构的重要因素，因而强调“情境创设”和“协作学习”的重要性，认为有效的环境不仅能促进知识的建构和学习的迁移，而且能培养学习者解决真实问题的能力。

　　在网络环境下构建大学网络教学平台的目的，就是根据建构主义学习理论，利用多媒体与网络技术实现高质量教学资源的制作、共享与传播，形成开放、集成、高效的基于网络环境的教学模式，促进师生互动，倡导主动式、协作式、研究性学习，与常规教学模式相辅相成，更好地培养学生的创新能力、知识学习能力和信息技术素养。

　　如何构建面向普通本科教学的网络教学平台，以确保系统在运行过程中的稳定性和高服务品质，尤其是大规模并发访问必燃导致网络中各个核心部分业务量的上升、访问量和数据流量的增长，相应的处理能力和计算强度也迅速增大，从而引起核心网络设备过载，网络瓶颈和网络拥塞等问题。在这种情况下，单纯追求高性能硬件来解决问题，无疑会造成高额的成本投入；况且，性能再优秀的设备也无法应对当前和今后快速增长的业务量的需求。因此，研究负载均衡技术在网络教学环境中的实际应用，成为解决网络教学“供求关系”的重要手段。

　　2 网络教学平台简介

　　三峡大学网络教学平台作为学校数字化校园的一个重要内容，其研究与开发始于2002年。经过几年的努力，学校先后投资人民币130万构建系统的软、硬件设备，目前系统已经成功地应用于学校的本科教学。

　　系统设计目标是一个基于Internet/Intranet的教学和教务管理信息系统。系统集教务工作网络化和教学工作信息化为一体，为教务工作者提供高效、便捷的业务管理和事务处理功能，为师生提供及时、准确、可靠地采集和传输教学信息和互动功能。

　　系统作为网络环境下的教学门户网站，为全校各类人员提供登录系统的统一入口(三峡大学求索学堂，网址：http://210.42.35.43)。系统具有网上实时交互式教学、课件实时制作、网上课程点播和网上协作学习等功能。师生之间可以在线或非在线完成网上学习、网上作业、网上自测与考试、网上智能答疑等教学过程；同时系统对教师的教学、学生的学习情况进行质量跟踪和评价，并可以发布系统公告、发布各类学习信息、考试信息、课程介绍、教师介绍和历史数据统计等信息。

　　系统构建基于B/S的三层结构，符合J2EE标准。支撑环境软件系统采用JSP作为应用在Web端的动态语言。服务器选用主流Linux架构系列服务器，操作系统为Linux，中心数据库采用Oracle ，中间件选用resin。系统设计用户规模为3万师生。

　　3 研究目的和意义

　　负载均衡(Load Balancing)是基于现有网络结构，以扩展原有网络设备和服务器的带宽、增加网络吞吐量、加强数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性为目的，解决网络供应量和业务需求量之间矛盾的一种廉价、有效、透明的方法。通常，采用负载均衡的目的有两个，一是将大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，以减少用户等待响应的时间；二是将单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，然后返回给用户，使系统处理能力得到大幅度提高。

　　在网络教学系统中研究负载均衡技术的原因，主要是因为高校校园网具有良好的上网环境，而网络教学平台具有面向大规模用户群体，对系统的实时性、稳定性以及数据的一致性、完整性要求高，且集多种服务于一体的应用特点。因此，要规避网络瓶颈、网络拥塞甚至应用服务崩溃的风险，采用负载均衡技术主要考虑以下两点：

　　能够根据用户请求服务的种类将数据量分担到相应的专职服务器上，避免大量数据拥塞一台或几台功能相近、服务一致的服务器所导致的网络数据流量瓶颈问题，从而提高系统的实时性和稳定性。

　　针对大量用户并发访问Web服务器的情况，在Web服务器群内应用一定的软件机制来实现负载均衡，以保证为用户提供更好的访问质量，并提高Web服务器响应速度。

　　4 负载均衡的实现

　　根据对网络教学平台的应用特点和服务类型分析，我们认为采用硬件和软件结合的方式能较好地实现负载均衡。即在系统硬件架构上选择服务器群集技术，同时采取软件负载均衡解决方案。

　　服务器群集技术(Server Cluster)是指通过分析客户访问的服务类型，将现有服务器划分为若干组，让同一组内的多个服务器处理某一类型或相近类型的服务请求。从而，使大量的并发访问能够按照所属类型分担到相应的服务器或服务器群上处理。

　　软件负载均衡解决方案是指在一台或多台服务器的操作系统上，安装一个或多个附加软件来实现负载均衡。它是基于特定环境，具有配置简单，使用灵活，成本低廉的特点，可以满足一般的负载均衡需求。

　　4.1 服务器群集的实现

　　按照用户请求服务的类型，将网络教学平台中的服务器划分为前端服务器集群、后端服务器集群和集中存储SAN三大部分。其中前端服务器集群包含多个Web服务器，后端服务器集群由数据库服务器、流媒体服务器、语音服务器和数据备份服务器等组成。

　　Web服务器群是网络教学系统对外的统一门户，用户通过浏览器与Web服务器群产生服务请求关系。Web服务器群根据请求类型将业务分流到后端服务器集群中的对应服务器上，由各个服务器分别作出响应。在后端服务器集群中，数据库服务器用于存放各种动态信息，流媒体服务器主要提供基于流媒体的课件点播服务，语音服务器提供实时在线的语音交互服务。网络教学平台服务器集群构架如图1所示。

　　图1 网络教学平台服务器群集逻辑结构图

　　4.2 软件负载均衡的实现

　　根据网络教学平台的设计目标，要满足三万人的网上教学要求，Web服务器群的压力必定很大。因此，必须在Web服务器之间应用软件机制来分担压力。这里，我们是在Web服务器群内采用Resin解析来实现负载均衡。

　　Resin是解析jsp和servlet的容器，它支持负载均衡以提高可靠性。Resin自带http服务器，同时也做srun服务器。另外，Resin对数据库缓冲池的支持很好，它提供的DBPool对缓冲池做了封装，只要在resin.conf里进行配置，然后在编制的jsp或servlet中引用便可。由于servlet运行在服务器端，可以动态地生成Web页面，且能在各个程序之间共享数据，故使得数据库连接池容易实现。具体方法参见下图所示。

　　图2 Web服务器群负载均衡示意图

　　图2显示的是利用Resin应用服务器解析http端口处的jsp网页，并通过内部机制达到负载均衡。其中，Web服务器1是主服务器，其他服务器通过NFS(NFS即网络文件系统，是一种在不同机器之间共享文件的方法，NFS通过允许用户安装远程磁盘资源来实现磁盘的共享)服务与之交互数据，保证数据的一致性；另外，Web服务器1作为整个Web服务器群与磁盘阵列的唯一接口，完成读/写操作。

　　通过配置Resin.conf，启用Resin自身的负载均衡引擎。resin的负载均衡引擎实际上是可以启动多个java响应进程，通过内部机制来进行负载均衡。这里假设n=3，我们采用多个IP地址和一个端口的配置方案，Web服务器1的配置如下：

　　其他Web服务器通过NFS文件共享服务远程mount Web服务器1的两个目录到本机对应的目录上，从而保证各镜像服务器与服务器上的内容一致，达到数据共享。在进行负载均衡的过程中，如果有一台Web服务器不能工作，Resin可以自动将业务流引向Web服务器集群中的其它服务器，保证系统的正常服务。

　　4.3 系统运行测试与效果分析

　　系统的测试主要针对并发访问，以考察系统的响应能力。具体方法是采用并发访问测试工具直接访问平台中数据库查询的页面。测试工具采用Apache中自带的ab测试工具。测试过程分为单个服务器运行测试和两个服务器同时运行测试(以下简称单机测试和双机测试)，在这两种环境下分别测试了系统每秒响应的请求数和处理每个请求的用时。测试结果参见图3和图4。

　　图3 单、双机服务环境下的每秒响应个数

　　图4 单、双机服务环境下每个请求的响应时间

　　根据图示测试结果，可以得出以下结论。

　　1、单、双机服务环境下平均每秒响应个数之比为74 ：153，即采用双机服务时，平均每秒响应数目是单机服务时的2.07倍；

　　2、单、双机服务环境下平均每个响应所消耗的时间之比为20 ：14，即采用双机服务时，平均每个响应所消耗的时间是单机服务时的70%；

　　3、由图3可以发现，在小数量并发时双机服务比单机服务每秒响应数要高出许多。而随着并发数的不断增大，单、双机服务都将达到一定的动态平衡，但双机服务波形较单机服务波形呈上升的状态。这是由于双机服务时内部需要进行Resin解析和NFS服务，会暂时影响响应数，但随着并发数的持续增大，双机服务的响应数将增大；

　　4、由图4可以发现，随着并发数的持续增大，双机服务比单机服务波形更趋于稳定，不再有大幅跃动，即系统的响应时间趋于稳定。

　　5 结束语

　　在网络教学平台中通过增加Web服务器和应用服务器的数量，实现服务器的集群，同时在Web服务器群内采用Resin解析实现负载均衡，有效地提高了系统服务性能，增加了系统支持的用户数量。实践证明，在现有网络结构之上建立负载均衡，是一种廉价的、有效的扩展服务器带宽和增加吞吐量的方法，它不仅能增加网络数据处理能力，而且能提高网络应用的灵活性和可伸缩性，对构建类似的大规模网络应用具有较大的参考意义。

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　　作者简介：

　　1、 康小军 高级工程师 硕导 三峡大学信息技术中心开发部主任 从事计算机网络和数据库技术的研究与应用。

　　Tel: 0717—6392092(O) 13872560959 Email: xjkang@ctgu.edu.cn