CN110365718A - 一种负载均衡方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载均衡系统及方法，该系统包括至少两台互相连通的网关，所述网关包括存储器和控制器，所述存储器中存储有指令，所述指令在所述控制器的控制之下执行以下步骤：确定一台网关为控制节点；控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息，所述智能终端信息包括智能终端种类、媒体访问控制接口(Media Access Control，MAC)和接口编号；控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端；及网关通过链路层透传，获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理。与现有技术相比，本发明通过在原有的网络结构的基础之上，将各网关上的负载的运算任务集中起来重新分配，保证网关盈余的硬件资源可以及时分配给其他智能终端，同时无需额外增加物理线路。

Description

一种负载均衡方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机网络资源调度领域，具体涉及一种负载均衡方法及系统。

背景技术

计算机技术的发展使得工业生产的信息化越来越强，一些传统上难以实时获取的信息和数据可以通过各种智能终端实时获取并处理，典型的应用环境是厂矿当中为了监控生产，监控环境安全而设置的传感器网络，这类应用环境通常包括核心节点、子节点和位于二者之间的中间节点，用于监控温度、湿度、压力、电磁等特定参数的传感器作为此类网络的子节点，同时还有作为核心节点及中间节点的网络设备汇总传感器网络的数据，此类应用环境当中。作为子节点的传感器越多，系统的复杂度越高，除此之外，与常见的IP网络和程控网络不同，此类网络的子节点通常不具备很强的运算性能，需要作为网关的中间节点和核心节点对数据进行处理，而非仅仅是进行数据的路由和转发，所以局部网络上的运算量峰值对网关的数据处理能力构成了很大的挑战，从而影响到整个系统的健壮。

常规的互联网协议地址(Internet Protocol Address，IP)网络和程控网络，通常使用核心网络负载均衡分散网络的吞吐容量，如此并不能在中间节点和子节点之间完成均衡，无法有效分配子节点的运算任务。并且，常见的负载均衡在核心层使用多条链路连接同一个节点的做法，也不适合针对子节点使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种实时分配各个智能终端运算业务的负载均衡系统和方法。

本发明提供的系统如下：

一种负载均衡系统，包括至少两台互相连通的网关，所述网关包括存储器和控制器，所述存储器中存储有指令，在所述控制器的控制之下执行以下步骤：确定一台网关为控制节点，通过手动指定的方式或者拨码开关的方式选定控制节点，并向其他网关发布控制节点；控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息，所述智能终端信息包括智能终端种类、媒体访问控制接口(Media Access Control，MAC)和接口编号，所有网关通过地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)确定自身连接有智能终端的接口，获取接口上连接智能终端的MAC地址，之后获取各智能终端的种类；控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端，将部分网关负载的超过其运算能力的智能终端分配给其他运算能力尚有盈余的网关；网关通过数据链路链路层的透传，获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理，在网关和连接在其他网关上的需要处理的智能终端建立连接后，智能终端发送的数据通过单播数据链路层的透传，直接发送至网关，节省中间网关的转发开销。

进一步地，所述一种负载均衡系统还包括交换机，所述至少两台网关通过所述交换机连接。

具体的，该系统的网络拓补结构为每个网关连接有若干智能终端，网关与网关之间通过网络相互连接，在此基础之上，增设交换机，网关与网关之间通过所述交换机连接，便于网关通过交换机与不同网关进行数据链路层上的交换，以便于网关和连接在其他网关上智能终端进行透传。

进一步地，所述指令在控制器的控制之下执行以下步骤：控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息，具体包括：网关获取自身接口上连接智能终端的智能终端信息；控制节点获取所有网关上连接智能终端的智能终端信息；控制节点确定智能终端与网关的对应关系，控制节点确定所述每个网关上连接的智能终端的数量和种类。

进一步地，所述指令在控制器的控制之下执行以下步骤：所述控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端，具体包括：控制节点根据智能终端种类确定网关上连接智能终端所需硬件资源，包括需要占用的CPU资源和内存资源；控制节点根据网关的负载能力确定与网关直接相连，并超过网关负载能力的智能终端，控制节点根据与网关直接相连的智能终端需要占用系统资源的总和，并与该网关所具备的系统资源对比，确定网关所具备的系统资源不足以负载与其连接的智能终端，并将超出其负载能力的智能终端所需的硬件资源记录；控制节点确定负载能力出现盈余的网关，控制节点还确定网关在承担其负载的运算需求后仍有运算能力的盈余并将盈余的运算能力记录；控制节点将超过网关负载能力的智能终端分配至负载能力盈余的网关，控制节点根据未分配的智能终端所需的运算能力，为有运算能力盈余的网关分配需要处理的智能终端。

进一步地，所述指令在控制器的控制之下执行以下步骤：网关通过链路层透传，获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理，具体包括：控制节点广播所有网关的地址信息，网关之间的通信通过IP层上的协议建立，通过ARP等协议，网关之间获取各自相连接口的IP和MAC，供后续通信使用；网关通过控制节点获取智能终端所在的网关，控制节点分配需要运算的智能终端的过程中，向网关传输智能终端连接的网关接口的地址；网关向智能终端所在的网关发送获取数据请求，网关向智能终端所在的网关发送IP数据包，向智能终端所在的网关要求获取智能终端的数据；智能终端所在的网关将获取数据的请求转发到智能终端，智能终端与智能终端所在的网关之间通过美国电子工业协会推荐标准232(Electronic Industry Association-recommeded standard232，RS232)或美国电子工业协会推荐标准485(Electronic Industry Association-recommeded standard232，RS232)进行，智能终端所在的网关通过拨码开关、软件设置或使用软件自行协商的方式为智能终端分配对应于终端所在的网关唯一的地址，智能终端所在的网关将数据请求通过智能终端连接的接口传输到智能终端；智能终端所在网关将智能终端所在的接口与网关配对建立单播透传，智能终端向智能终端所在的网关响应数据请求；智能终端所在的网关确定智能终端响应了数据请求后，向网关发送数据请求的响应，并转发智能终端的地址，之后智能终端所在的网关，建立从智能终端所在的接口到网关之间的透传链路，对网关和智能终端之间的通信不做数据链路层以上的处理，智能终端通过智能终端所在的网关透传向网关发送数据；网关处理智能终端发送的数据。

进一步地，所述指令在控制器的控制之下执行以下步骤：网关通过链路层透传，获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理，的另一种方案，具体包括：网关广播所有网关的地址信息；网关通过控制节点获取智能终端的网络地址(InternetProtocol，IP)，网关通过网络接口在网络层上建立网关与智能终端之间的连接；网关向智能终端发送获取数据请求；智能终端所在网关将获取数据请求路由至所述智能终端，获取数据的请求通过在其他网关之间路由协议的路由完成从网关到智能终端之间的传递；智能终端向网关响应获取数据请求，智能终端所在的网关同样通过路由协议向网关转发智能终端的响应；之后，智能终端所在的网关将智能终端所在的接口与网关配对建立单播数据链路层的透传，由智能终端直接发往网关的数据，在相应的接口之间，以二层的模式转发，不做进一步的处理；智能终端通过智能终端所在的网关透传向网关发送数据后网关处理智能终端发送的数据。

进一步地，所述指令在控制器的控制之下执行以下步骤：控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端之后，该方法还包括：网关根据控制节点分配的需要处理的智能终端的地址，确定智能终端连接在自身的接口上，通过对应的接口向智能终端发出获取数据请求，并处理该智能终端上传的数据。

还公开了一种负载均衡方法，应用在上述一种负载均衡系统中以完成不同网关之间的负载均衡。

与现有技术相比，本发明通过在原有的网络结构的基础之上，将各网关上的负载的运算任务集中起来重新分配，保证网关盈余的硬件资源可以及时分配给其他智能终端，同时无需额外增加物理线路。

附图说明

图1为本发明负载均衡系统一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明负载均衡系统图1所示一种实施方式进一步的改进。

图3为本发明负载均衡方法的流程图。

图4为图3步骤S200的流程图。

图5为图3步骤S300的流程图。

图6为图3步骤S400智能终端使用数据链路层与外界通信的流程图。

图7为图3步骤S400智能终端使用网络层与外界通信的流程图。

附图标记说明：

1——智能终端、2——网关、3——交换机

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种负载均衡的系统，请参考图1，本系统包括至少两台网关2，所述网关2之间相互通信连接，每一网关2上连接有若干智能终端1，其中所述网关2为网络设备，遵循现有的通用网络协议，在二层或三层上转发数据，在此基础之上，同时每台网关2具备负载智能终端1的能力，所述网关2用于处理智能终端1上传的数据，网关2连接的智能终端1较少的状态下，网关2的负载能力出现盈余，网关2连接的智能终端1较多的状态下，智能终端1超出网关2负载能力。

所述智能终端1具备带有媒体访问控制接口(Media Access Control，MAC)地址的网络接口，遵循数据链路协议发送数字信息，在一种实施例当中，所述智能终端1为传感设备，通过网络接口发送采集到的数字化传感信息，在一种实施例当中，所述智能终端1还具有IP地址，遵循网络层协议跨网关2向其他网络设备收发信息。

所述网关2的硬件结构相同或相近，均具备上述功能，其中人为或遵循相关协议自协商一台网关2作为控制节点，控制节点自身具备网关的其他作用，在此基础之上，控制节点还用于获取所有网关2连接的智能终端1的信息，并根据网关2负载的盈余情况重新分配各网关2需要处理的智能终端1，一种实施例是物联网网关，物联网网关适合运用在工业检测，智能家居等使用场所，在传统网络设备的基础之上，集成了对物联网节点数据提取、处理和控制的功能。

网关2处理自身连接的智能终端1上传的数据；并作为智能终端1所在的网关2，向其他网关转发与自身连接的智能终端1的数据；还获取连接在其他网关2上需要处理的智能终端1的数据并使用自身盈余的负载能力处理。

在物理连接方式上，网关2之间相互连通，在一种应用环境当中，负载均衡系统由少数网关2及若干智能终端1组成，网关2之间可以通过不同网络接口相互连接，这种网络结构适合应用于三台以下网关2组成的负载均衡系统；在另一种实施例中，还设置有交换机，所有网关2均与交换机连接，通过交换机数据链路层转实现网关2之间的链路连通，这种网络结构适合应用于三台或三台以上网关2组成的负载均衡系统，减少连接线的使用，使得网络拓补更为简洁，网络接口与智能终端之间可通过包括RS232和RS485在内的串行接口，协商各个终端的地址并建立通信，或者是通过网络接口建立二层或三层上的通信。

请参考图3，一种负载均衡的系统上执行的方法，该方法具体为：

步骤S100：确定一台网关为控制节点。

具体地，控制节点通过协商的形式从多个网关中选定，例如拨码开关，或通过人工设定的形式选定一些运算能力最强，物理位置靠近中央的网关作为控制节点，控制节点用于收集其他网关的信息，汇总各网关的负载情况，调整并分配各网关需要处理的智能终端。

步骤S200：控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息。

具体地，请参考图4，控制节点获取所有网关上连接的智能终端信息，智能终端信息集中之后才能进一步确定各个网关的负载是否均衡，及如何分配各网关连接的智能终端。

步骤S300：控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端。

具体地，请参考图5，控制节点根据各网关负载能力的盈余及不足重新分配需要处理的智能终端。

步骤S400：网关获取需要处理的智能终端的数据。

具体地，请参考图6和图7，控制节点根据网关负载能力出现盈余，同时其他网关负载能力出现不足，将其他网关上连接的智能终端分配给该负载能力出现盈余的网关进行处理，该负载能力出现盈余的网关根据智能终端的分配情况，与智能终端所在的网关协商建立透传链路，并通过透传链路接收智能终端的数据以节省数据转发的硬件开销。

步骤S500：网关处理智能终端的数据。

具体地，网关处理接收的数据，完成负载均衡系统的任务，在一组实施例中，处理后的数据可以传输至配套的服务器以提供进一步的数据服务，或将处理结果存储在网关中，等待操作人员提取。

具体地，其中步骤S200具体包括：

步骤S201：网关获取自身接口上的连接智能终端的智能终端信息。

具体地，各网关通过扫描接口获取网关上料连接的智能终端的地址，在一种实施例中，网关与使用串口通信的智能终端协商地址，并使用该地址进行通信，在另一种实施例中网关获取使用网络接口的智能终端的MAC以及IP，并通过智能终端遵循的协议获取智能终端的型号，作为智能终端的种类。

步骤S202：控制节点获取所有网关连接的智能终端信息。

具体地，控制节点获取所有网关连接的智能终端信息，包括地址信息，和智能终端的种类。

步骤S203：控制节点确定智能终端与网关的对应关系。

具体地，控制节点确定智能终端与网关之间的对应关系，方便确定各网关的负载情况。

具体地，其中步骤S300具体包括：

步骤S301:控制节点确定各智能终端所需的硬件资源。

具体地，根据智能终端的种类，控制节点确定智能终端所需的硬件资源，通常在稳定的运行环境下，每个智能终端需要的处理器资源及内存资源相对固定，所以控制节点根据智能终端的种类，确定每个智能终端对处理器及内存资源的需求，其中，智能终端对内存的消耗通常与占用内存的物理空间及配套的内存控制器可以提供的带宽有关，通常可以用占用内存空间的字节数来记录。智能终端对处理器资源的占用，根据不同处理器的功率、制程及核心架构的不同而不同，在一种实施例中，所有的网关具有相同的处理器结构，可以以智能终端占用的核心频率记录智能终端对处理器资源的需求；在另一种实施例中网关使用的处理器结构不统一，则设定一个标准的处理器，以其单位时间可以完成的计算量作为单位计分，智能终端对处理器资源的需求可以相对于分数来表示，需要说明的是，常见的通用处理器对不同种类计算效率并非完全一致，所以，需要根据处理智能终端数据时主要的计算种类确定计分。

智能终端对处理器及内存资源的要求可以在所述网关中预设，并与智能终端种类相对应。

步骤S302：控制节点确定超出网关负载能力与其直接连接的智能终端。

具体地，控制节点根据各个网关上连接的智能终端对硬件资源需求的总和确定该网关负载能力的使用情况，确定超出网关负载能力的智能终端，一种实施例中，将超出负载能力的任务量以硬件资源的形式记录，确定额外的硬件资源需求；另一种实施例中，确定具体的智能终端，供控制节点分配给其他网关。

步骤S303：控制节点确定负载能力盈余的网关。

具体地，控制节点确定负载能力盈余的网关，确定其盈余的硬件资源。

步骤S304：控制节点重新分配各网关的负载。

具体地，控制节点根据负载能力盈余的网关的盈余情况，分配需要处理的智能终端。

其中步骤S400具体包括：

步骤S401a：控制节点广播所有网关的地址信息

具体地，控制节点广播所有网关的IP地址，网关建立自身的路由链表，并确定其他网关的MAC，建立网关之间的通信。

步骤S402a：网关通过控制节点获取智能终端所在的网关

具体地，网关根据需要处理的智能终端，向控制节点获取智能终端所在网关的地址，

步骤S403a：网关向智能终端所在的网关发送获取数据的请求。

具体地，网关通过路由协议向智能终端所在的网关发送数据包。

步骤S404a：智能终端所在的网关将获取数据的请求转发到智能终端。

具体地，智能终端所在的网关将获取的请求通过与智能终端协商的地址转发到使用RS232和RS485等串口通信的智能终端。

步骤S405a：建立智能终端到网关之间的单播数据链路层的透传。

具体地，在此实施例中，智能终端的通信建立在与智能终端所在的网关之间的串行链路上，使用的是与其之间协商的地址，网关将获取数据请求发送至智能终端所在的网关，智能终端所在的网关将获取数据请求通过协商的地址转发到智能终端，智能终端响应获取数据请求后，智能终端所在的网关将响应返回给网关，同时根据智能终端通过协商的地址和网关的MAC，在连接智能终端的接口和连接网关的接口之间建立单播数据链路层的透传，从智能终端向网关发送的数据，并且格式符合智能终端数据格式的数据，将通过链路层转发至网关完成单播数据链路层的透传，不做上层处理，如此大大节省硬件资源的前提下，将智能终端的数据转发至网关处理。

步骤S406a：网关通过透传获取需要处理的智能终端的数据。

具体地，网关通过透传获取到智能终端的数据。

在另一种实施例中，步骤S400具体包括：

步骤S401b：控制节点广播所有网关的地址信息。

步骤S402b：网关获取智能终端的IP。

具体地，网关根据需要处理的智能终端，向控制节点获取智能终端所在网关的地址，在一些路由协议中，还需要确定智能终端所在网关的虚拟接口，一些基于高级应用的管理软件还提供了相应智能终端对应智能终端所在网关的端口号，根据虚拟接口或端口号确定所述智能终端。

步骤S403b：网关向智能终端发送获取数据的请求。

网关通过网络协议向使用网络接口的智能终端直接发送获取数据的请求。

步骤S404b：获取数据的请求路由至智能终端。

获取数据的请求被智能终端所在的网关直接转发到智能终端。

步骤S405b：智能终端向网关响应获取数据的请求。

智能终端通过网络协议向网关响应获取数据的请求。

步骤S406b：建立智能终端到网关之间的单播数据链路层的透传。

在转发网关与智能终端之间的数据时，终端所在的网关确认与网关相连的接口以及与智能终端相连的接口，同时确认二者的MAC，在此基础之上，终端所在的网关建立两组接口之间的单播数据链路的透传，在两个端口之间原MAC为智能终端的MAC，目的MAC为网关的MAC，并且格式符合智能终端数据格式的数据针，通过数据链路层直接转发而不做上层处理。

步骤S407b：网关通过透传获取需要处理的智能终端的数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种负载均衡系统，其特征在于，包括至少两台互相连通的网关，所述网关包括存储器和控制器，所述存储器中存储有指令，所述指令在所述控制器的控制之下执行以下步骤：

确定一台网关为控制节点；

控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息，其中，所述智能终端信息包括智能终端种类、媒体访问控制接口(Media Access Control，MAC)和接口编号；

控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端；及

网关通过链路层透传，获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理。

2.根据权利要求1所述的一种负载均衡系统，其特征在于：所述步骤“控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息”，具体包括：

网关获取自身接口上连接智能终端的智能终端信息；

控制节点获取所有网关上连接智能终端的智能终端信息；及

控制节点确定智能终端与网关的对应关系。

3.根据权利要求1所述的一种负载均衡系统，其特征在于：所述步骤“所述控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端”，具体包括：

控制节点根据智能终端种类确定网关上连接智能终端所需硬件资源；

控制节点根据网关的负载能力确定与网关直接相连，并超过网关负载能力的智能终端；

控制节点确定负载能力出现盈余的网关；及

控制节点将超过网关负载能力的智能终端分配至负载能力盈余的网关。

4.根据权利要求1所述的一种负载均衡系统，其特征在于：所述步骤“获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理”，具体包括：

控制节点广播所有网关的地址信息；

网关通过控制节点获取智能终端所在的网关；

网关向智能终端所在的网关发送获取数据请求；

智能终端所在的网关将获取数据的请求转发到智能终端；

智能终端所在网关将智能终端所在的接口与网关配对建立单播数据链路层的透传；

智能终端通过智能终端所在的网关透传向网关发送数据；及

网关处理智能终端发送的数据。

5.根据权利要求1所述的一种负载均衡系统，其特征在于：所述步骤“网关通过链路层透传，获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理”，具体包括：

控制节点广播所有网关的地址信息；

网关通过控制节点获取智能终端的网络地址(Internet Protocol，IP)；

网关向智能终端发送获取数据请求；

智能终端所在网关将获取数据请求路由至智能终端；

智能终端向网关响应获取数据请求；

智能终端所在的网关将智能终端所在的接口与网关配对建立单播数据链路层的透传；

智能终端通过智能终端所在的网关透传向网关发送数据；及

网关处理智能终端发送的数据。

6.根据权利要求1所述的一种负载均衡系统，其特征在于：所述步骤：“控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端”之后，该方法还包括：网关根据需要处理的智能终端连接在自身的接口上，处理该智能终端上传的数据。

7.根据权利要求1所述的一种负载均衡系统，其特征在于：所述一种负载均衡系统还包括交换机，所述至少两台网关通过所述交换机连接。

8.一种负载均衡方法，应用在权利要求1至7任意一项所述的一种负载均衡系统中，该方法包括：

确定一台网关为控制节点；

控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息，其中，所述智能终端信息包括智能终端种类、媒体访问控制接口(Media Access Control，MAC)和接口编号；

控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端；及

网关通过链路层透传，获取连接在其他网关上的需要处理的智能终端数据并处理。

9.根据权利要求8所述的一种负载均衡方法，其特征在于：所述控制节点确定所有网关上连接智能终端的智能终端信息，具体包括：

网关获取自身接口上连接智能终端的智能终端信息；

控制节点获取所有网关上连接智能终端的智能终端信息；及

控制节点确定智能终端与网关的对应关系。

10.根据权利要求8所述的一种负载均衡方法，其特征在于：所述控制节点根据网关的负载能力分配所有需要处理的智能终端，具体包括：

控制节点根据智能终端种类确定网关上连接智能终端所需硬件资源；

控制节点根据网关的负载能力确定与网关直接相连，并超过网关负载能力的智能终端；

控制节点确定负载能力出现盈余的网关；及

控制节点将超过网关负载能力的智能终端分配至负载能力盈余的网关。