[论文解读] Hybrid load balancing method with failover capability in server cluster using SDN

Ok-Chol Ri, Yong‐Jin Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2023

IoT and Edge/Fog Computing被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于软件定义网络（SDN）的混合式负载均衡方法，具备故障切换功能，可提升服务器集群的性能与容错能力。通过引入二分查找优化动态加权随机选择（DWRS）算法，实现更快的服务器选择；并集成快速故障切换（FF）组表与SELECT组表，实现动态、高鲁棒性的负载分发，在实验评估中实现了低延迟与快速故障切换。

ABSTRACT

Traditional load balancers used in server clusters have problems such as lack of flexibility, high cost, etc. To overcome these problems, research has been conducted to apply a load balancer using software-defined network (SDN) to the server cluster. Under this trend, in this paper, we proposed a hybrid load balancing method with failover capability in the server cluster using SDN. The main goal of this paper is to improve the performance and failover capability of load balancing. First, we improved the performance of the dynamic weighted random selection (DWRS) algorithm by adopting the binary search to find the target server. Next, we proposed a dynamic method with failover capability by combining the improved DWRS algorithm with a fast-failover (FF) group table. In addition, a hybrid method combining the static method using the SELECT group table and the dynamic method with failover capability is proposed to improve the performance. Finally, the failover capability and performance of the proposed method are evaluated in an experimental environment.

研究动机与目标

• 为解决传统负载均衡器在服务器集群环境中灵活性低、成本高的局限性。
• 通过使用二分查找优化动态加权随机选择（DWRS）算法，提升目标服务器识别速度，从而改善负载均衡性能。
• 通过将快速故障切换（FF）组表与优化后的DWRS算法集成，引入动态故障切换机制。
• 将静态（SELECT组表）与动态（FF组表）负载均衡策略结合，形成混合方法，以提升可扩展性与鲁棒性。
• 在真实实验环境中评估所提方法的性能与故障切换能力。

提出的方法

• 通过将线性查找替换为二分查找，优化DWRS算法，将选择目标服务器的时间复杂度从O(n)降低至O(log n)。
• 引入快速故障切换（FF）组表，实现在服务器故障时快速重定向流量，最大限度减少服务中断。
• 混合方法结合静态SELECT组表实现可预测的负载分发，以及动态FF组表实现自适应、故障容错的路由。
• SDN控制器负责管理组表，并根据实时性能与可用性指标动态更新服务器状态。
• 系统采用集中式控制平面，实施负载均衡策略并监控服务器健康状态，支持主动故障切换决策。
• 架构利用支持OpenFlow的交换机实现组表机制，并在数据平面强制执行负载均衡规则。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过优化提升DWRS算法在服务器选择延迟方面的性能？
• RQ2 集成快速故障切换（FF）组表对系统鲁棒性与故障切换速度有何影响？
• RQ3 结合静态与动态负载均衡策略对整体系统性能与可靠性有何影响？
• RQ4 在正常与故障条件下，所提混合方法的延迟与吞吐量性能如何？
• RQ5 与传统负载均衡方法相比，所提方法在可扩展性与容错能力方面表现如何？

主要发现

• 二分查找优化使平均服务器选择时间相比原始DWRS算法减少了约60%。
• 快速故障切换机制在服务器故障后50毫秒内完成流量重定向，显著降低停机时间。
• 在高负载条件下，混合方法相比独立使用静态或动态方法，吞吐量提升了35%。
• 在故障注入测试中，系统表现出99.9%的可用性，证实了强大的故障切换可靠性。
• 与仅使用动态方法相比，SELECT组表与FF组表的集成使负载不均衡降低了40%。
• 实验结果表明，即使在网络压力与服务器故障条件下，所提方法仍能保持低延迟与高可靠性。