通过 DNS 重定向优化 ISP 网络和服务.docx

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通过DNS重定向优化ISP网络和服务

通过DNS重定向优化ISP网络和服务

简介

Internet服务提供商（ISP）的技术支持成本不断飞涨。

实际上，对于许多ISP来说，技术支持的成本已经相当于或甚至超过WAN带宽成本，成为服务商们花费最高的单项成本。

随着ISP的合并、更多的用户上网、典型用户群从精通技术的用户转变为不太懂技术的用户，ISP正面对着一场日益艰难的战斗。

这场战斗由下列部分组成：

使最终用户的连接自动化而无论其地理位置在何处、优化基础结构性能以及管理和配置最终用户系统。

许多寻求ISP技术支持的电话，都源自域名服我务（DNS）问题。

DNS是一个分布式数据库，提供了IP地址和主机名之间的映射。

要使网络进行正常运作，就必须为用户的计算机配置正确的DNS服务器地址。

如果DNS服务器地址配置错了（由于用户输入地址时出错、输入被意外更改或其它任何原因），将导致用户失去与Internet的连接。

几分钟以后，他们寻求ISP技术支持的电话就来了。

而且，为用户的计算机正确配置DNS服务器地址的需要可能会妨碍ISP为满足用户的需求而更改DNS的能力。

例如，ISP可能要从一个集中式DNS服务器转变为使用许多分散的DNS服务器，以适应用户数量的不断增长。

理想情况下，如果使用分散式DNS服务器，用户应该访问与之最接近的DNS服务器。

但是，由于分散式架构中的各DNS服务器都具有唯一的IP地址，因此，除非每个用户在自己的计算机上重新配置DNS服务器地址，否则，是不可能实现这种理想情况的。

对于任何一个ISP来说，让用户更改计算机中的DNS服务器地址是一项艰巨而耗时、并且蕴涵着各种潜在问题的任务。

如果用户在更改过程中由于DNS服务器地址配置错误而请求技术支持，则处理起来更加困难。

虽然动态主机控制协议（DHCP）可以缓解其中某些问题，但ISP必须使他们的所有用户转换成使用这种自动寻址方案。

而在服务器交换机上采用的DNS重定向技术可以消除这些问题。

服务器交换机是一种新型、特殊的LAN交换机，它为单个服务器或服务器集群作前端处理。

它所提供的定制服务可以提高可伸缩性、可用性和服务器效率。

对发往服务器的流量进行重定向或作负载平衡处理的能力就是这类增值服务之一。

通过重定向DNS流量，所有DNS请求都被引导至ISP所选定的DNS服务器，而不管这些请求原来指向何处。

如果用户的计算机由于任何原因而使用了错误的DNS服务器地址，这也没有任何关系。

DNS请求仍被引导至ISP所选定的DNS服务器，用户的网络连通性也同时得到维持–无需打电话请求ISP的技术支持。

此外，ISP可能希望用户使用另一个DNS服务器，而不是原来为用户的计算机配置的那个，即使原来配置的地址对于用户的本地接入点（PoP）来说是正确的。

这种情况的一个典型例子，是移动用户离开了原住地，而他们的ISP又采用了分布式DNS架构。

如果不使用DNS重定向，DNS请求将被发送到用户住宅所在地PoP的DNS服务器，而不是发送到用户拨入的PoP的DNS服务器。

此时DNS重定向可以再次发挥作用，因为用户使用的DNS服务器地址将被忽略，DNS请求将被引导至ISP指定的DNS服务器。

最后，DNS重定向还允许将DNS请求动态地分配给服务器集群中的多个DNS服务器。

这样可以提高处理能力，减少响应时间，并提高DNS的可用性。

DNS重定向操作及其优点

DNS重定向可以在服务器交换机（例如AlteonWebSystems的ACEswitch或ACEdirector产品）上运行。

如图1所示，服务器交换机位于用户的计算机和Internet之间的数据路径中，通常位于某个ISP的PoP。

服务器交换机检查每个数据包，以确定哪些是DNS请求。

如果使用第2或第3层交换技术，未被标识为DNS请求的数据包将随后转发到它们的最终目的地。

而DNS数据包则被截获，并被自动重定向。

对于被重定向的数据包，服务器交换机执行所需的网络地址转换，并将它们发送到ISP指定的DNS服务器。

该DNS服务器可能在本地、在ISP的PoP、或可能在某个远程位置。

这个DNS服务器也可以是单个设备，或是一个由DNS服务器集群所构成的虚拟DNS服务器。

图1-DNSRedirectorDeployment

多个DNS服务器与DNS重定向结合使用时，服务器交换机根据预先配置的算法将DNS请求分配给服务器集群中的各个服务器。

可以选择的算法包括：

循环算法、最少连接数、散列法和最小错失率。

服务器交换机对已配置的DNS服务器执行健康状况检查，将DNS请求只发送到已经通过了这些健康状况检查的DNS服务器。

还可以部署冗余服务器交换机，以消除系统中的任何单点故障点，并提供最大限度的正常运行时间。

采用DNS重定向时，服务器交换机的拓扑位置必须能使用户的DNS请求在到达Internet之前先通过交换机。

这样可以截取和重定向所有DNS请求。

如果网络的拓扑结构允许DNS请求绕过服务器交换机，则请求就可能被其他交换机或路由器绕过该服务器交换机转发到别处，这样也就不会重定向到所需的DNS服务器。

修改配置错误的DNS服务器地址

如果用户在其计算机中错误地配置了DNS服务器地址，他们的DNS请求将或者被发送到某个非DNS服务器系统，或者被丢弃。

在任何一种情况下，用户都不会收到对其DNS请求的任何响应，也得不到Internet主机名的IP地址，从而失去与Internet的连接（参见图2）。

如果使用DNS重定向技术，在用户的计算机中配置的DNS服务器地址将无关紧要。

服务器交换机截取所有DNS请求，而不管它们的目标IP地址是什么，并将这些请求发送到ISP指定的DNS服务器。

服务器交换机还可修改DNS的响应，使得它们仿佛来自于为用户配置的DNS服务器的地址。

这样，无论用户计算机上的DNS服务器地址如何配置，用户的Internet连接总可以得到维持。

采用分布式DNS架构

随着用户数量的增长，许多采用集中式DNS服务器架构的ISP将看到分布式DNS功能的优点。

对于数量庞大的用户群，带有许多DNS服务器的分布式架构—每个服务器都接近于部分用户—提供了比单个集中式DNS服务器更快速、有效的响应。

要维持较高的应用程序性能和用户的满意程度，快速的DNS响应是一个关键因素。

在DNS功能完成之前，无法与提供应用程序的终端系统进行连接。

其结果是，用户必须等到DNS事务完成之后才能访问应用程序。

图2-Misconfigured预订rDNSAddress

另外，分布式DNS架构可以使ISP更好地管理他们的Internet流量。

例如，许多门户站点支持跨国的或遍布世界各地的镜像站点。

采用分布式DNS服务器结构的ISP可以配置这些服务器，使它们将流量引导至位置接近的特定镜像站点。

但是，采用分布式DNS服务器架构将使ISP面对一些严峻的现实。

如果他们不能使用户重新配置计算机中的DNS服务器地址，则转为采用分布式DNS服务器架构没有任何优势，因为用户会继续将请求发送到初始的中央DNS服务器（参见图3）。

另一方面，如果ISP让他们的用户更改各自计算机中的DNS服务器地址，大部分用户会在更改过程中出错。

这样，ISP将面对大量上述的DNS服务器地址配置错误问题。

使用DNS重定向技术可以解决这一矛盾，因为用户的计算机中配置的DNS服务器地址将无关紧要。

服务器交换机将截取所有DNS请求，并将它们发送到合适的DNS服务器。

事实上，DNS重定向也给用户带来了好处，他们可以保留其计算机中原来的中央DNS服务器的地址。

如果服务器交换机向其发送DNS请求的某个DNS服务器或DNS服务器集群中的所有服务器都发生了故障，则服务器交换机会将DNS请求发送到用户计算机指定的目标IP地址所标识的主机。

如果该地址是初始的中央DNS服务器的地址，则DNS请求将被引导至该服务器，这就为发生故障的服务器或服务器集群提供了一个备份服务器。

图3-ChangeinDNSServerArchitecture

满足移动用户的需求

如果在分布式DNS服务器环境中，所有用户的计算机中都正确地配置了本地DNS服务器地址，那么，移动用户就成为了难题。

就移动用户来说，一个在其住地PoP为本地的DNS服务器，对于在其外出时拨入的PoP来说可能就不再是本地的了。

虽然对于移动用户，比较理想的是使用对于他们拨入的PoP来说是本地的DNS服务器，但他们的请求并不能到达该服务器。

相反，DNS请求将到达用户住宅PoP的DNS服务器，从而减缓了响应速度（参见图4）。

如前所述，要维持较高的应用程序性能和用户满意程度，快速的DNS响应是关键。

使用DNS重定向可以解决这一问题。

每个PoP的服务器交换机将截取移动用户的DNS请求，并使它们自动重定向到最接近的DNS服务器。

用户使用不同的PoP时，将使用不同的DNS服务器（假定ISP如此配置了DNS服务）。

但是，至关重要的问题不仅仅在于DNS请求的去向，而且还在于处理其它流量的方法。

如上所述，门户站点可能支持镜像站点，并且ISP可能配置了分布式DNS服务器，以将流量引导至本地的镜像站点。

对于远离住宅PoP但正在使用其住宅PoP的DNS服务器的移动用户而言，其流量将不会发送到对于他们的当前位置来说最佳的镜像站点。

如果发生这种情况，应用程序的性能将受损。

使用DNS重定向技术将用户的请求发送到用户当前使用的PoP的DNS服务器，可以解决这一问题。

图4-Mobile预订r

提高DNS的可用性

若要将Internet主机名解析为IP地址，用户必须能够访问DNS服务器。

如果用户不能访问DNS服务器，他们将无法访问Internet。

因此，维持DNS服务器的高可用性是保证用户较高的满意度的关键（参见图5）。

DNS重定向可以提高DNS服务器的可用性。

ISP可以部署多个DNS服务器并配置服务器交换机，让它们将DNS请求分配给服务器集群中的各服务器。

服务器交换机将对DNS服务器执行健康状况检查，并将DNS请求只发送给已经通过了健康状况检查的DNS服务器。

例如，在图5中，如果IP地址为C的DNS服务器发生故障（由黑色X表示），所有DNS请求将发送到IP地址为B的DNS服务器。

作为选项，ISP可以配置服务器交换机，使其能在服务器集群中的某个服务器或所有服务器发生故障的情况下，将DNS请求发送到备份服务器。

例如，在分布式DNS架构中，一个PoP的DNS服务器可以在支持本地用户的同时充当其它PoP的备份服务器。

作为最后的手段，如果服务器集群中某个已配置的DNS服务器或所有已配置的DNS服务器发生故障，并且没有可用的备份服务器或没有配置备份服务器，服务器交换机会按照用户计算机使用的目标IP地址将DNS请求发送到原来的指定主机。

ISP如果想获得最大程度上的可用性，应使其用户的计算机使用中央DNS服务器的地址，该中央服务器在所有其它DNS服务器发生故障的情况下可用作故障防范保险。

如果这样做，服务器交换机的最后绝招将导致用户的DNS请求被引导至作为故障防范保险的DNS服务器。

如图5所示，本地PoP的两个DNS服务器都发生了故障（由黑色X和灰色X表示）。

在这种情况下，DNS请求将被发送到IP地址为A的中央服务器。

图5-IncreasingAvailability

负载平衡算法

如果使用多个服务器构成一个DNS服务器集群，服务器交换机将根据可以由ISP配置的负载平衡算法将每个DNS请求引导至特定的服务器。

ISP可以选择的算法包括循环算法、加权循环算法、最少连接数、加权最少连接数、散列法和最小错失率。

此外，可以为任何DNS服务器配置最大连接数阈值。

循环算法

如果使用该算法，新的连接请求将采用循环算法转发到DNS服务器，即长远来说，服务器集群中的各DNS服务器会接收同等数量的连接请求。

这并不表示每个DNS服务器将具有相同数量的活动连接–有些服务器关闭连接的速度要比其它服务器快。

加权循环算法

加权循环算法负载平衡类似于循环算法负载平衡，但是服务器集群中的每个服务器根据其容量来分配静态权数。

服务器交换机根据服务器的权数来向它们分配连接请求。

最少连接数

如果使用该负载平衡算法，将跟踪每个DNS服务器正在处理的活动连接的数目。

接收新的连接请求后，请求被转发至服务器集群中活动连接数最少的DNS服务器。

加权最少连接数

在加权最少连接数算法中，最少连接数策略中增加了加权函数。

服务器交换机根据服务器的静态权数使每个服务器的连接数标准化。

该算法将DNS请求引导至具有最少标准化（相对于实际）活动连接数的服务器。

散列法

散列法使用数学算法来处理DNS请求的源IP地址和目标IP地址，以便将它们分配给服务器。

散列法的一个特点是：

它可以将同一用户的DNS请求分配给同一个DNS服务器。

最小错失率

最小错失率算法也可以处理DNS请求的源IP地址和目标IP地址，将它们分配给服务器，并可将同一用户的DNS请求分配给同一个DNS服务器。

虽然与最小错失率相比，散列法通常可以提供更佳的瞬时负载分配，但是，在将DNS服务器添加到负载平衡算法或将它们从负载平衡算法中去除时，最小错失率产生的混乱现象要少于散列法产生的混乱现象。

选择负载平衡参数

对于DNS重定向操作来说，负载平衡参数的选择并不是至关紧要的。

通常情况下最好使用散列法，因为它可以提供较好的瞬时负载分配，并可以将指定用户的请求引导至同一个DNS服务器。

将请求引导至同一个DNS服务器可以减少一些响应时间，因为这样将更有可能让请求从本地服务器直接得到服务，而无需向DNS层次结构中更高的服务器查询。

在只有一个交换机将请求重定向到DNS服务器的情况下，用户最好也对使用最少连接数算法的优缺点加以考虑。

最大连接数选项

最大连接数选项可以用上述的任何负载平衡策略来配置。

该选项使用户可以设置分配给特定DNS服务器的最大活动连接数。

当一个服务器的达到最大限制值以后，服务器交换机将不再向该服务器发送更多的DNS请求，直至连接数回降到最大限制值以下为止。

如果服务器集群中所有服务器的连接数都达到其最大限制值，服务器交换机将根据用户计算机中的目标IP地址把DNS请求发送到Internet，直到至少有一个服务器的连接数降至其限制值以下为止（本说法有一些例外情况，请参见下面的溢出服务器和备份服务器）。

DNS服务器健康状况监控

如前所述，DNS服务器的可用性对于确保ISP用户有连续的网络连接来说是至关紧要的。

为实现这一目标，服务器交换机监控DNS服务器的健康状况，并将数据包只引导至健康状况良好的DNS服务器。

基于DNS请求的健康状况监控

服务器交换机通过定期将请求发送到服务器集群中的每个DNS服务器，来监控DNS服务器的健康状况。

这些请求能识别发生故障的服务器以及在健康状况良好的服务器上的DNS服务故障。

如果基于DNS请求的测试表明发生了故障，服务器交换机将使有关DNS服务器处于“服务器故障”状态。

此时，服务器交换机便停止将DNS请求重引导至该服务器，而将它们分配给DNS服务器集群中健康状况良好的其它服务器。

如果DNS服务器集群中的所有服务器都不可用，并且没有配置备份服务器或没有可用的备份服务器，服务器交换机将把DNS请求发送到它的目标服务器。

如果DNS服务器已不再处于“服务器故障”状态，服务器交换机将开始向它发送DNS请求。

一旦服务器交换机接收到来自该服务器的DNS响应，它就使这台以前发生故障的DNS服务器重新投入使用。

物理连接监控

服务器交换机还监控与DNS服务器连接的交换机端口的物理链接状态。

如果到服务器的物理链接发生故障，交换机会立即将该服务器置于“服务器故障”状态并采取措施，就好像DNS服务器未能通过基于请求的监控。

如果服务器交换机检测出到DNS服务器的物理链接的故障已经修复，交换机将使该服务器重新投入使用，方法与前面所述的方法相同。

溢出服务器和备份服务器

服务器交换机还可以配置成能在服务器集群中的某个或所有服务器达到最大连接数阈值时引入溢出服务器。

如果检测到服务器集群中的某个或所有服务器的服务或物理链接发生故障，还可以引入备份服务器。

溢出服务器

如前所述，可以为DNS服务器配置最大连接数限制。

如果DNS服务器的活动连接数达到最大连接数限制值，那么除非该服务器的活动连接数降至最大连接数限制值以下，服务器交换机将不再向该服务器发送任何新的连接请求。

在这种情况下，可以临时采用溢出服务器。

溢出服务器的原理，是一个通常不向特定PoP提供DNS的服务器可以配置成在某些特殊情况下能够提供DNS。

正常情况下，服务器交换机不会将任何经过负载平衡处理的应用程序的连接转发到该服务器。

但是，如果服务器集群中的某个或所有DNS服务器达到最大连接数限制，服务器交换机将把溢出服务器引入此负载平衡组合中。

如果DNS服务器上的负载降至适当的程度，服务器交换机将不再把DNS请求引导至溢出服务器，从而将溢出服务器从负载平衡组合中去除。

可以将溢出服务器配置成能在服务器集群中的某个或所有DNS服务器超过其最大连接数阈值时进入工作状态。

溢出服务器在被用来处理来自服务器交换机的连接时，仍可继续支持其正常的功能。

用意在于让溢出服务器在负载过重的服务器组中暂时增加容量。

如果对溢出服务器的使用过于频繁并且时间过长，可能表示服务器集群应添加更多的服务器，以增加其永久性容量。

备份服务器

应用程序、服务器或链接等方面的故障可能导致服务器交换机将一台服务器从负载平衡组合中去除。

用户可以配置服务器交换机，使其在服务器集群中的某个或所有服务器发生故障时，将备份服务器引入负载平衡组合。

如果交换机是在去除某个服务器后将备份服务器引入负载平衡组合的，那么一旦服务器交换机确定了被去除的服务器可再次运行，就会将该备份服务器将从组合中排除。

如果服务器交换机是在服务器集群中去除全部服务器后将备份服务器引入负载平衡组合的，那么一旦服务器交换机确定了被去除的全部服务器均已能够再度运行，就会将该备份服务器从组合中排除。

同溢出服务器一样，将备份服务器从组合中排除意味着服务器停止将DNS请求引导至该服务器。

使用热备用式ACEdirector及应用程序的高度可用性

除了可以执行DNS服务器健康状况监控外，使用热备用式服务器交换机还可以实现更高的应用程序可用性。

服务器交换机可以成对使用，一个处于活动状态，另一个处于热备用模式，以建立在系统范围内无单点故障点的网络拓扑结构。

也就是说，服务器交换机不是单点故障点，使用它们也不会使网络的其它地方成为单点故障点。

消除单点故障点可以提高应用程序的可用性。

图6为一个热备用式配置示例。

图6-HotStandbyConfiguration

该拓扑结构支持使用活动的和备用的服务器交换机、冗余网络设备和负载平衡的冗余DNS服务器。

请注意，流量不通过备用服务器交换机。

例如，从客户机1到DNS服务器A的所有流量只通过活动服务器交换机（如箭头所示）。

采用热备用式配置时，其中一个服务器交换机指定为活动交换机，另一个指定为备用交换机。

活动服务器交换机和备用服务器交换机之间配置一个直接链路，称为故障恢复链路。

故障恢复链路用于在活动的和备用的服务器交换机之间传送保持活动状态的消息。

只有当活动服务器上的端口发生故障时，数据流量才通过故障恢复链路传送。

如果活动服务器交换机检测到链接故障，则把该信息通过故障恢复链路传达给备用服务器交换机。

如果备用服务器交换机上的对应端口健康状况良好，该端口即被激活。

例如，图7显示了活动服务器交换机到DNS服务器A的链路发生故障的情况。

在这种情况下，连接到DNS服务器A的备用ACEdirector上的端口就被激活。

如图所示，客户机1和DNS服务器A之间的所有流量现在依次通过活动服务器交换机、故障恢复链路、备用服务器交换机以及刚刚激活的链路。

图7-SingleLink

如果整个活动服务器交换机发生故障，备用服务器交换机便成为活动交换机，如图8所示。

一旦路由器（左上侧）确定（例如，使用OSPF）原来活动的服务器交换机发生故障，并且备用交换机成为活动交换机，流量将再次从客户机1流向DNS服务器A（如图所示）。

图8-SwitchFailureReconfiguration

如前所述，故障恢复链路用于在活动服务器交换机和备用服务器交换机之间传送保持活动状态的消息。

如果服务器交换机无法从其对等交换机接收到保持活动状态的消息，可能表示故障恢复链路发生了故障，也可能是其对等交换机发生了故障。

区分这两种情况很重要。

如果故障恢复链路发生故障，但两个服务器交换机均健康状况良好，则必须对这种情况进行判定，以避免“裂脑人”问题。

发生这种问题时，原来的活动服务器交换机仍处于活动状态，而原来的备用服务器交换机会试图成为活动交换机。

这种情况将导致通信中断。

另一方面，如果原来的活动服务器交换机确实已经发生故障而导致备用服务器交换机无法接收到保持活动状态的消息，则备用服务器交换机必须对这种情况进行判定，以便成为活动交换机。

区分这两种情况的方法是：

使用专门的消息传递方法对所有服务器交换机端口进行物理层和数据链路层健康状况检查。

ACEswitch/ACEdirector架构

AlteonWebSystems最先提出了服务器交换技术的概念。

服务器交换技术的基本理念是优化网络和服务器之间的接口。

服务器交换机为与之连接的设备提供了高性能的基于第2、3和4层的交换服务。

这种多层交换功能与先进的重定向功能和增值的数据包处理功能（例如数据包过滤和服务器负载平衡）结合使用。

服务器交换机可以充当服务器集群的智能前端处理器，从而提高应用程序性能。

这使应用程序可以通过对客户机透明的方式跨越多个服务器来运行。

还可以通过确保将客户机请求只引导至健康的服务器，来提高应用程序的可用性。

DNS重定向是服务器交换功能的一个完美范例。

采用DNS重定向技术的服务器交换机充当DNS服务器集群的智能前端处理器，提供了网络的连通性并智能地将DNS请求引导至DNS服务器集群中的服务器。

每秒钟检查成千上万的数据包、确定哪些数据包必须正常转发、哪些数据包必须重定向到DNS服务器以及重定向到哪个DNS服务器（如果服务器是群集的），以及执行必要的