面向SWIM系统改进的加权最小连接调度算法技术方案

广域信息管理SWIM(System Wide Information Management)是“航空云”的基础设施，用于航空交通运输相关信息的传输与共享，其可靠性和生存能力关系到航空交通运输的安全运行。本发明专利技术改进了加权最小连接WLC(Weighted Least‑Connection)调度算法，选取负载指标并设置作用系数，由此得到能综合反映当前节点负载状态的负载系数；设计负载权值计算模型，动态更新节点权值，达到SWIM系统的负载均衡，提高其服务的连续性。通过实验验证，改进后的WLC算法可有效提升SWIM系统的灾难恢复能力。

【技术实现步骤摘要】
面向SWIM系统改进的加权最小连接调度算法
本专利技术涉及一种服务调度算法，结合广域信息管理系统(SystemWideInformationManagement，SWIM)本身的建设需求，提出了一种基于加权最小连接WLC(WeightedLeast-Connection)调度的改进的动态权值算法，该算法会科学的选取负载参照指标，实时更新服务器的权值，为系统提供更加科学高效的请求调度连接。
技术介绍
SWIM系统是信息化整合下一代空中交通管理的核心，它是一个高度集成的大规模网络系统。利用SWIM网络框架可以实现机场、空管运行中心、航空公司等多方面多部门之间的数据安全交换和信息共享。随着我国民航业的快速发展，民航信息化网络系统的建设基本完善，然而民航运输需求的迅速增长与空管处理能力和航空运输总体容量不足的矛盾日益突出，民航业在迎接前所未有的机遇的同时也必须面对这种矛盾带来的挑战。因此，加强对现有的民航信息网络系统的升级改造和建设我国的SWIM系统迫在眉睫，航空交通信息管理对国家安全十分重要，对保障SWIM系统在恶意攻击和灾难下的生存能力，以及保证其服务的完整性和可用性意义非凡。SWIM是一个介于IP网络层和应用层之间的大规模分布式网络，可以实现机场、航空公司、塔台等多方面的信息共享和数据交换，并为不同子系统的统一调度和协同共筹提供网络保证。SWIM有大型的控制调度中心，对相关各端进行调度控制，图1即为面向SWIM系统应急响应与灾难恢复的体系框架。SWIM网络系统按照功能的分层结构可分为公共数据传输层、公共信息管理层和共享数据应用层三个层次，SWIM公共数据传输层实现SWIM平台对共享航空飞行资源数据的采集；公共信息管理层实现对SWIM承载业务的负载均衡、配置和数据转换等；共享数据应用层实现WEB客户端发送订阅请求。在不同的地理位置如机场前端、空管数据采集中心、管控中心等分别存放着不同的服务器，他们共同采集数据，并将数据传递给后端的数据存储库，每个节点之间均是通过网络连接的，它们属于SWIM网络系统的公共数据传输层，实现SWIM平台对共享航空飞行资源数据的采集；在前端存在一个SWIM前端调度平台，当用户需要与后端的服务节点建立连接并访问节点数据时，首先要访问SWIM网络前端调度器，它属于SWIM网络的公共信息管理层，实现对SWIM承载业务的负载均衡、配置和数据转换，实现应急响应预案等，SWIM调度器将用户的服务请求通过调度算法发送到后端服务节点中，使其与用户建立连接，当调度的服务器不能提供服务的时候，SWIM调度器则可以通过一定的调度算法将服务请求调度到其他服务节点中，保证服务的正常提供；当后端服务器的数据库系统发生异常宕机而无法提供服务的时候，系统切换到远端的异地数据库中，继续为用户提供服务，保证整个系统的可生存性。SWIM网络需要提供24*7的实时服务，任何服务的中断和关键性数据的丢失都会造成不可估计的损失，因此保证SWIM网络的可用性和鲁棒性非常重要。Linux虚拟服务器LVS(LinuxVirtualSever)技术是优秀的集群性能解决方案，它既可以解决服务集群中的节点中负载失衡的问题，保证服务器集群的服务的质量，又可以在服务节点发生宕机、瘫痪等情况下自动恢复服务，大大增加其可靠性和生存能力，加权最小连接调度WLC算法就是IPVS内核中存在的一种调度算法，它是对最小连接LC(Least-Connection)调度算法的改进，在考虑到集群系统节点的连接数的同时兼顾节点的性能，为不同性能的节点配置不同的权值，以实现在调度连接时系统集群整体的负载平衡。加权最小连接调度WLC算法的描述如下：假设有一组SWIM服务器，W(Si)表示服务器Si的权值，C(Si)表示服务器Si的当前连接数，所有服务器当前连接数的总和为：CSUM＝∑C(Si)(i＝0，1，..，n-1)当前的新连接请求被发送至服务器Sm，Sm需要满足如下条件：(C(Sm)/CSUM)/W(Sm)＝min{(C(Si)/CSUM)/W(Si)}其中，W(Si)是非零值，(i＝0，1，.，n-1)，由于CSUM为常量，因此，Sm的判定条件可以简化为：C(Sm)/W(Sm)＝min{C(Si)/W(Si)}(i＝0，1，.，n-1)在服务器中，除法运算所消耗的资源比乘法运算大的多，因此，其判定条件可进一步优化为：C(Sm)*W(Si)＞C(Si)*W(Sm)(i＝0，1，.，n-1)加权最小连接调度WLC算法的流程如图2所示。WLC算法以连接数为参考条件并兼顾节点性能的差异性而进行连接，因此对于整体的集群系统而言，能够较好地达到均衡状态，增强整个集群的生存能力，是一种综合性能较好的调度算法。但其仍存在不足：(1)服务器权值的设定是管理员凭借自身的经验进行预先手动设定完成的，这显然缺乏合理性和科学性；(2)服务器的权值是固定不变的，服务器自身性能和对数据报的运算能力会随时发生改变，若没有及时相应地更正服务器权值，则无法与当前服务器的负载能力相匹配，影响服务器集群的健康性；(3)权值设定连接数是唯一的调度衡量标准，然而对整个服务器集群而言，这是远远不够的，服务器的处理器使用效率、内存利用率、网络带宽利用率、进程数、磁盘利用率等性能指标均能够反映出当前服务器的负载情况，而现有的WLC对这些因素都没有考虑到。
技术实现思路
本专利技术改进了Linux虚拟服务中的加权最小连接WLC调度算法，提高了SWIM服务的连续性。SWIM提供了丰富的网络服务，不同的网络服务对服务器的资源消耗是不一样的，但是在现有的WLC算法中以连接数作为调度细度，不能体现出网络服务对真实服务器的资源消耗的不同。结合当前实际情况，对于集群系统中的节点，对其负载状态会产生作用的因素包括：处理器的使用效率、内存的使用效率、网络带宽的使用效率、系统存活时间、系统响应时间等。通常考虑的作用因子越多，越能精确反映出活动的集群节点负载的情况，但对节点造成的负担就越重，因此，本专利技术在选取负载因子的时候，只考虑最重要的三个负载指标，处理器的使用效率、内存的使用效率和网络带宽的使用效率，这三个负载指标的取值均在[0，1]中。在真实节点中这三个负载指标对集群系统的作用效果不同，按照三个负载指标在服务器中的作用大小，设置三个系数L_cpu，L_mem，L_net，这三个值分别代表其在真实节点负载中的作用系数。在本专利技术中，依据实验平台的具体参数配置，并按照作用的大小分别将其设为0.5、0.3、0.2。依据上述理论基础，确定服务器的实时负载系数K的计算公式为：K＝L_cpu*PCPU+L_mem*PMEM+L_net*PNET负载指标的取值范围均为[0，1]，作用系数都为定值，则负载系数K的取值范围也是[0，1]，此公式能实时地很好地反映服务器所承受的压力。当负载权值较大导致服务器的承载过大，可能会影响服务器的响应时间以及用户体验时，对原权值进行适当的减小，反之增大，只有这样动态地增大和减小服务器的权值才能更加科学地反映出当前服务器的负载情况，改进后的权值计算模型为：Wnew＝W+A(0.7-K)其中，Wnew为新的权值，0.7表示期望到达的SWIM网络设计的理想状态。若实时负载K大于0.7，则表示服务器当前处于资本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向SWIM系统改进的加权最小连接WLC(Weighted Least‑Connection)调度算法，其特征在于：(1)综合考虑SWIM集群系统节点的特点，科学的选取负载参照指标来反映当前节点的负载状态，并依据其对集群系统作用效果的不同将负载指标进行量化，选取适当的作用系数，计算出实时的负载系数；(2)将负载系数实时地反馈给调度器，通过改进的权值计算模型来动态的更新服务器的权值；(3)根据连接数与权值的比值确定将服务请求调度到合适的服务节点中，保证调度连接时系统集群整体的负载平衡。

【技术特征摘要】
1.面向SWIM系统改进的加权最小连接WLC(WeightedLeast-Connection)调度算法，其特征在于：(1)综合考虑SWIM集群系统节点的特点，科学的选取负载参照指标来反映当前节点的负载状态，并依据其对集群系统作用效果的不同将负载指标进行量化，选取适当的作用系数，计算出实时的负载系数；(2)将负载系数实时地反馈给调度器，通过改进的权值计算模型来动态的更新服务器的权值；(3)根据连接数与权值的比值确定将服务请求调度到合适的服务节点中，保证调度连接时系统集群整体的负载平衡。2.根据权利要求1所述的面向SWIM系统改进的加权最小连接WLC调度算法，其特征在于：其中：特征(1)中选取处理器的使用效率PCPU、内存的使用效率PMEM、网络带宽的使用效率PNET三个负载指标反映当前节点的负载状态；设置三个系数L_cpu，L_mem，L_net分别代表其在真实节点中的作用系数，按照作用大小分别设为0.5、0.3、0.2；确定服务器的实时负载系数K的计算公式为：K＝L_cpu*PCPU+L_mem*PMEM+L_net*PNET负载指标的取值范围均为[0，1]，作用系数都为定值，则负载系数K的取值范围也是[0，1]，此公式能很好地实时地反映服务器所承受的压力；特征(2)中改进的权值计算模型有利于SWIM系统的负载均衡，具体的改进措施是：当负载权值较大导致服务器的承载过大，可能会影响服务器的响应时间以及用户体验时，对原权值进行适当的减小，反之...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴志军，刘中，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津,12