分布式Web服务器技术在网管中的应用

第７卷第５期　２００８年５月　软件导刊　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｇｕｉｄｅ　ＶＯ１．７　ＮＯ．５　Ｍａｖ２００８　分布式Ｗｅｂ服务器技术在网管中的应用　曾　烨．黄迪明　（电子科技大学计算机科学与工程学院，四川成都６１００５４）　摘　要：基ｆｆ－Ｗｅｂ￣网管系统是未来的发展趋势。当前大型网管系统还不能很好地为用户提供细粒度的网管信息：　当系统访问量增加时，系统的性能急剧下降。为了克服这些缺点，把分布式Ｗｅｂ服务器集群的思想引入了当前的Ｗｅｂ　网管系统，重点研究了这种思想在新网管系统架构中是如何实现的。　关键词：分布式Ｗｅｂ集群：网络管理；ＴＣＰｆｆ２移　中图分类号：ＴＰ３９３．０７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—７８００（２００８）０５—００５１—０３　因此．本文试图将分布式Ｗｅｂｎ￣务器技术引入网管系统领　Ｏ　引言　Ｗｅｂ技术引入网管系统已经成为趋势。但是相比传统的网　管系统，基于Ｗｅｂ的网管系统表现出来的性能和扩展性不足．　无法应用于大规模的复杂网络。　域，提出一种新的应用框架。　１系统关键技术　在新系统中，前端机（即分配器）位于用户通往真正提供服　务的后端Ｗｅｂ服务器的逻辑路径上，每一个来自用户的数据包　都必须经由它中转。当客户端向Ｗｅｂｎ￣务器提交访问请求时．　前端机从这个ＴＣＰ连接中解析出Ｈ１ＴＰ请求的具体内容，然后依　据分配转发策略，进行ＴＣＰ连接转交。系统要求这个处理过程　不仅对客户端完全透明，而且也不会使前端机成为整个系统的　网络瓶颈。原理如图２所示。　；中问层管理服务器！　图ｌ基于Ｗｅｂ的网管系统　目前基于Ｗｅｂ的分布式网管系统如图１所示。这种网管体系　结构虽然可以解决多平台的互操作问题，提供易于使用的图形　界面，大大减少了需要在工作网络中传播的网管信息量和需要　由核心服务器处理的数据量等等。但是，它也存在以下的缺点：　（１）不能很好地为用户提供细粒度的网管信息。通过Ｗｅｂ　图２　ＴＣＰ连接迁移原理　服务器，用户只能够获得各个子域（或称为“组”）的整体信息，　当用户需要粒度更细的网管功能时。大量数据要经由中间层服　务器中转给顶层服务器，这样会造成对顶层服务器或者网络带　１．１数据结构　为了转发用户数据包和实现对后端机存储系统的统一管　理，前端机需要维护两张表：连接状态表和ＵＲＬ分布表。连接状　态表通过某一连接的用户端标识（即用户的ＩＰ地址和Ｐｏａ）检索　宽资源的占用，增加延迟，使得顶层服务器成为瓶颈。　（２）在系统访问量增加时，系统与用户的交互能力是系统　出服务器系统中负责处理该连接的后端机的ＩＰ地址、该连接的　最近使用时间和连接状态等，此外，根据某个后端服务器的ＩＰ　地址检索该表，还可得到该服务器当前负荷情况。　１．２工作原理　的潜在性能瓶颈。今天对网管信息感兴趣的不再只是少数的网　管人员。相关的决策人员、网络用户等都可能成为网管信息的　用户。随着网管ＧＵＩ用户的增加，系统的交互能力就会急剧下　降。　ＴＣＰ连接转交的思想是在后端服务器上“重现”连接的建　作者简介：曾烨（１９８２－），男，湖南株洲人，电子科技大学计算机科学与工程学院硕士研究生，研究方向为计算机网络技术；黄迪明（１９４４一），男，四，１　成都人。电子科技大学计算机科学与工程学院教授，研究方向为网络信息技术、网络安全。　・５２・　软件导刊　２００８正　立过程，即在前端机上复制并缓存客户端在连接建立过程中发　送来的报文。在决定迁移的后端服务器后，通过ＩＰ隧道，将这些　文头￣？ａｃｋｓｅｑ域值，加上ＯＦＦＳＥＴ。这样，该报文变为了ＡＣＫ　（ＳＳｅｑ＋１）报文．重新计算校验和。（以后Ｓ上转交模块在该连接　报文封装发送给后端服务器。后端服务器根据ＩＰ隧道协议解开　封装后，报文被ＴＣＰ迁移系统的内核模块所截获。此模块从中　依次提取出各个报文，然后伪装成客户与后端服务器的协议栈　上截获收到报文，修改序列号，其方法均为加上ＯＦＦＳＥＴ）。这　样．后端服务器Ｓ就被“欺骗”，认为它发出去的ＳＹＮ＋ＡＣＫ报文　的响应报文到了，三次握手完成。　进行三次握手过程，使连接从前端机迁移到后端服务器上。此　外，内核模块还需要修改所截取报文的序列号，使其在客户端　和后端服务器保持一致。这种方法与具体操作系统实现无关，　（６）转交模块从先前的ＩＰ报文中最后提取出Ｈ１ＴｒＰ请求（ｓｅｑ：　ＣＳｅｑ＋ｌ，ａｃｋ—ｓｅｑ：ＢＳｅｑ＋１）报文，将ａｃｋ—ｓｅｑ域值加上０ＦＦＳＥＴ，即将　该报文变为（ｓｅｑ：ＣＳｅｑ＋ｌ，ａｃｋ—ｓｅｑ：ＳＳｅｑ＋１）报文，重新计算校验　对操作系统协议栈和上层应用透明。　为此，需要设计一个ＴＣＰ转交处理模块（简称转交模块），　它安装在前端机和后端服务器上．其主要功能：在前端机上，主　要是记录连接、迁移信息，分析Ｈ１ＴｒＰ请求内容，转发报文给后　端服务器：在后端服务器上，主要是改写序列号，丢弃某些响应　报文，以达到“欺骗”后端服务器的目的，以此来实现ＴＣＰ的连　接转交。　１．２．１连接建立阶段　（１）客户端向前端机发起请求。典型的请求以一个ＳＹＮ　（ＣＳｅｑ表示客户端报文的初始序列号）报文开始。前端机上的转　交模块将截获客户端的ＳＹＮ请求报文，解析后，将其复制一份，　缓存下来；前端机再回应一个ＡＣＫ（ＣＳｅｑ＋Ｉ）到客户端。同时，发　起一个ＳＹＮ（ＢＳｅｑ表示前端机的初始报文序列号）。　（２）ＡＣＫ＋ＳＹＮ报文回送到客户端。客户端在收到前端机的　正确应答报文后，认为连接已经建立（实际上，客户端仅仅是和　前端机建立了连接），对前端机的ＳＹＮ（ＢＳｅｑ）进行应答，发送　ＡＣＫ（ＢＳｅｑ＋Ｉ）（不考虑捎带确认，下同）。至此完成了三次握手　的全部过程。并且开始进行数据通信，客户端向前端机发出数　据请求报文（这里假设为ＨＴＴＰ请求报文）ＤＡＴＡ（ＣＳｅｑ＋１）。　（３）ＡＣＫ（ＢＳｅｑ＋１）报文到达前端机后，由前端机上的转交　模块复制一份缓存起来。当客户端的ＨＴｒＰ请求到达时，同样由　前端机上的转交模块截获，转交模块分析该Ｈ１ＴｒＰ请求，并根据　ＵＲＬ表和算法１进行匹配，从而调度到一台后端服务器Ｓ。然后　将先前复制的ＳＹＮ报文、ＡＣＫ报文连同该Ｉ－ＩＴＴＰ请求报文，封装　为一个报文。通过ＩＰ隧道发送给选出的后端服务器Ｓ。前端机以　后只负责在ＩＰ层封装客户端发来的报文，再通过ＩＰ隧道转发给　后端服务器Ｓ。　（４）前端机刚才转发的报文首先被后端服务器Ｓ上的转交　模块截获．转交模块先直接将该ＩＰ隧道报文交给ＩＰ隧道设备解　开封装。ＩＰ隧道设备解开封装后，将原始ＩＰ报文重新放入协议　栈中。又重新被转交模块截获。转交模块解析该报文，从中提取　出客户端原始的ＳＹＮ（ＣＳｅｑ）报文，记下报文的初始序列号　ＣＳｅｑ，然后直接交给协议栈。　（５）后端服务器Ｓ产生ＳＹＮ＋ＡＣＫＳＥ文。这里的初始序列号　与前端机产生的是肯定不同的，该报文同样由转交模块截获，　记下该序列号为ＳＳｅｑ。然后将该ＳＹＮ＋ＡＣＫ报文丢弃，不再通过　协议栈向下传输发送。接着，ＫＴＨ从先前的ＩＰ报文中又提取出　客户端的ＡＣＫ（ＢＳｅｑ＋１）报文，计算偏差０ＦＦＳＥＴ＝ＳＳｅｑ—ＢＳｅｑ，根　据ＴＣＰ协议，该偏差是固定的。将该ＡＣＫ（ＢＳｅｑ＋１）报文的ＴＣＰ￣Ｅ　和，交给协议栈。　（７）后端服务器Ｓ响应该Ｈ１ＴｒＰ请求。响应报文（ｓｅｑ：ＳＳｅｑ＋ｌ，　ａｃｋ—ｓｅｑ：ＣＳｅｑ＋２）同样在发送前由转交模块截获。转交模块将报　文的ｓｅｑ域减去ＯＦＦＳＥＴ，变为（ｓｅｑ：ＢＳｅｑ＋ｌ，ａｃｋ　ｓｅｑ：ＣＳｅｑ＋２），重　新计算校验和，交给协议栈，发送给客户端。以后Ｓ上的转交模　块截获到的所有该连接上发送的报文，修改序列号的方法均为　将其减去ＯＦＦＳＥＴ。同时还要把报文的原ＩＰ地址改为前端机的　ＩＰ地址。这样客户端以为是前端机发来的响应，从而客户端也　正确地得到了响应。至此已完成连接的迁移工作，该过程对客　户端是透明的。　１．２．２　ＵＲＬ请求和应答阶段　迁移的连接上的后续报文由客户端发送给前端机，前端机　上的转交模块截获报文后，根据客户端的ＩＰ和Ｐｏｒｔ，查找连接状　态表得到目的服务器Ｓ的ＩＰ地址。转交模块将报文使用ＩＰ隧道　协议封装后。转发给后端服务器Ｓ。Ｓ上修改序列号，修改应答报　文的原ＩＰ地址等操作与１．２．１相似。　Ｉ．２－３连接结束阶段　考虑客户端主动关闭连接。　（１）客户端发起一个ＦＩＮＣ，到达前端机。前端机删除连接　状态表中相应的项。将该报文缓存起来。同时前端机发送ＡＣＫＢ　和ＦＩＮＢ给客户端，客户端应答报文ＡＣＫＣ到达前端机。前端机　把客户端的ＦＩＮＣ和ＡＣＫＣ通过ＩＰ隧道发给后端服务器Ｓ。　（２）后端服务器Ｓ上的转交模块提取出ＦＩＮＣ，修改序列号，　将报文交给本机协议栈。　（３）后端服务器Ｓ要发送ＡＣＫＳ和ＦＩＮＳ给客户端，被转交模　块截取并丢弃。　（４）Ｓ上的转交模块提取出ＡＣＫＣ，修改序列号，将报文交给　本机协议栈。这样服务器Ｓ就关闭了该连接。　前端机和后端服务器Ｓ之间的连接可以是持久连接，也可　以是客户端发起时才建立的。如果是后一种情况，那么前端机　和后端服务器Ｓ之间也需要关闭连接。服务器主动关闭连接类　似，这里不再叙述。　２　系统模型　２．１系统整体架构　新的网管系统是一个具有统一的管理界面的分布式网管　系统，它引入了分布式Ｗｅｂ￣Ｅ务器技术，试图在用户界面一级　为用户提供单一的管理入口，提供统一的网管系统用户界面。　其框架结构示意图如图３所示。其中的网管服务器分别处于不　第５期　曾烨，黄迪明：分布式Ｗｅｂ服务器技术在网管中的应用　・５３・　同的层次，共同组成一个具有层次结构的网管系统。后端服务　器和前端机可　通过高速链路连接起来。从用户与网管系统交　互的角度看，该系统以一个识别用户请求的分配器作为前端　机。所有用户请求，首先送到分配器，分配器了解用户索取的　ＵＲＬ之后，将该用户请求转交给相应的Ｗｅｂ网管服务器来处　理。顶层服务器（核心服务器）负责对用户提供与网络整体状态　相关的信息，而每一个中间层网管服务器为用户提供本域内的　网管信息。这样，各个层次上的网管服务器组成一个大的虚拟　Ｗｅｂ服务器系统，共同为网管系统的用户提供一个具有单一系　统映像的用户界面。用户通过浏览器可以随时随地通过同一　ＵＲＬ进入该网管系统的图形化界面，获取各个层次的网管信　息。　＿　●………………＿图３基于分布式Ｗｅｂ服务器的网管系统架构　管理域的划分可以通过Ｗｅｂ服务器系统的虚拟文件目录　结构来实现。将不同服务器负责提供不同层次管理活动、管理　不同管理域的事实，映射为由不同的网管服务器负责提供Ｗｅｂ　服务器某目录下的所有内容、操作和服务。在分配器中存储一　个简单的ＵＲＬ对应关系表（即上述的ＵＲＬ表），根据它可以迅速　将用户请求转发往相应的网管服务器．而各个服务器只需将虚　拟目录映射为本地的一个真实目录即可。　２．２转交模块实现　目前的Ｌｉｎｕｘ内核中，引入了一个最新的编程框架：　Ｎｅｔｉｆｈｅｒ。它提供了非常好的接口用于抓取、截获、分析网络上　的数据包。利用Ｎｅｔｆｉｌｔｅｒ框架的支持，在前端机和后端服务器　上，分别挂接ＩＰ＿ＬＯＣＡＬ＿ＩＮ链和ＩＰ＿ＬＯＣＡＬ＿ＯＵＴ链，用于截取／　改写ＴＣＰ报文。挂接ＩＰ＿ＬＯＣＡＬ＿ＩＮ链，将截获所有发送给本机的　ＩＰ报文。而挂接ＩＰ＿ＬＯＣＡＬ＿ＯＵＴ链，将截获所有本机将要发出　的ＩＰ报文。在前端机上，模块的功能主要是记录连接迁移信息、　分析Ｈ１－Ｉ’Ｐ清求内容、转发报文给后端服务器。在后端服务器　上．则主要是改写序列号。丢弃某些响应报文以达到“欺骗”后　端服务器的目的。　２．３性能分析　测试环境包括１台Ｐｅｎｔｉｕｍ４　２．６６ＧＨｚ（１ＧＢ内存．８０Ｇ硬盘）　运行在Ｌｉｎｕｘ操作系统上作为前端机，后端服务器为３台　Ｐｅｎｔｉｕｍ４　２．６６ＧＨｚ（１ＧＢ内存，８０Ｇ硬盘），用Ｌｉｎｕｘ＋Ａｐａｃｈｅ提供　ｗｅ１）服务，采用ＷｅｂＢＥＮＣＨ５．０作为性能测试软件。性能评测实　验结果显示新的Ｗｅｂ原型性能有了显著的提高。　表１性能评测结果　客户请求个数　基于代理方式Ｗｅｂ基于ＴＣＰ　Ｈａｎｄｏｆｆ　网管吞吐量　网管吞吐量　３结束语　把分布式Ｗｅｂ服务器技术引入网管系统．新的网管系统以　单一的系统映像为用户提供多种粒度的网管功能。避免了在网　络上传输大量的网管数据而需要的带宽开销；系统支持大量的　用户访问；便于通过增加网管服务器的数量，或者增加网管系　统的层次来实现对更大规模的网络的管理。　参考文献：　［１］　薛，王宇，李增智．基ｆｆ－Ｗｅｂ￣分布式网络管理的设计及实现　［Ｊ］．计算机工程，２００２（１）．　［２］ｗｅｉ　Ｍｅｉｊｕａｎ，Ｘｉａｏ　Ｄｅｂａｏ，Ｇｕｏ　Ｊｉｎｔａｏ．Ａ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｎｅｘｔ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＸＭＬ　ａｎｄ　Ｐｏｌｉｃｙ　［Ｃ］／／ＩＣＣＴ＂０６．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２００６．　［３］Ｐａｐａｔｈａｎａｓｉｏｕ　Ａ　Ｅ，Ｖａｎ　Ｈｅｎｓｂｅｒｇｅｎ　Ｅ．ＫＮＩＴＳ：ｓｗｉｔｃｈ－ｂａｓｅｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｈａｎｄ—ｏｆｆ［ｃ］．／／Ｔｗｅｎｔｙ—Ｆｉｒｓｔ　Ａｎｎｕａｌ　Ｊｏｉｎｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．　ＩＥＥＥ．Ｊｕｎｅ　２００２．　［４］　李波，李双庆，程代杰．ｗｅｂ服务器集群ＴＣＰ　Ｈａｎｄｏｆｆ￣术及其实　现［Ｊ］．计算机工程与应用，２００４（２）．　［５］　林曼筠，钱林华．基于标记的缓存协作分布式Ｗｅｂ服务器系统　［Ｊ］．软件学报，２００３（１）．　［６］　张建鑫，古志民，廖祥文，等．基于分布式请求处理的Ｗｅｂ虚拟服　务器［Ｊ］．计算机工程，２００４（１９）．　（责任编辑：杜能钢）