Принцип работы балансировщиков нагрузки: как они работают и зачем они нужны

Балансировщик нагрузки может представлять собой как аппаратное, так и программное обеспечение, используемое в устройстве, распределяющем соединения. Он функционирует в некоторой степени аналогично «обратному прокси», поскольку представляет серверы приложений пользователям через виртуальный IP-адрес. Такая технология называется SLB (балансировщик нагрузки серверов). SLB используется как для локальных сетей (LAN), так и для пулов серверов приложений в рамках одного веб-сайта.

С помощью балансировщика нагрузки можно оценить масштабируемость и доступность приложения. Одно приложение может потребовать больше ресурсов, чем способен предоставить один сервер. Балансировщик нагрузки работает с пулом серверов, распределяя трафик с помощью различных алгоритмов. В случае необходимости дополнительных ресурсов их можно добавить.

Балансировщик нагрузки проверяет доступность приложения на сервере. В случае обнаружения проблем во время проверки приложение исключается из пула доступных серверов. Когда проблемы с конкретным приложением устранены, система мониторинга состояния возвращает его в пул.

Такие балансировщики расположены между сервером приложения и пользователями, поэтому могут выполнять некоторые дополнительные функции. Они могут помогать с переключением контента и обеспечивать функции безопасности, такие как WAF и 2FA.  

Ключевые преимущества балансировки нагрузки

Ключевые преимущества этой технологии связаны с безопасностью, доступностью и масштабируемостью приложения. Подобно обратному прокси, балансировка нагрузки — это своего рода шлюз, контролирующий и направляющий потоки трафика между сервером и пользователями.

Распространенные сферы применения балансировки нагрузки

• ​Автоматическое возобновление работы на резервных площадках.
• ​Автоматическое обнаружение проблем с серверами и перенаправление трафика.
• ​Удаление и добавление серверов приложений.
• ​Отсутствие перебоев во время технического обслуживания серверов.
• ​Блокировка подозрительного контента.

Как работает балансировщик нагрузки

Балансировщик нагрузки работает следующим образом: он предоставляет пользователю виртуальный IP-адрес, представляющий приложение. Пользователь подключается к этому адресу, после чего балансировщик с помощью алгоритмов определяет, следует ли направить соединение к конкретному приложению на сервере. Кроме того, балансировщик отвечает за мониторинг и управление на протяжении всего периода работы.

Рассмотрим процесс работы на гораздо более простом примере — например, агент по недвижимости помогает клиенту с арендой недвижимости. Агент обсуждает некоторые детали с клиентом и отправляет запрос владельцу недвижимости относительно сделки. Владелец отвечает конкретным предложением по ценам, и эта информация передается клиенту через агента. Этот процесс продолжается до подписания договора.

Основная функция агента, как и балансировщика нагрузки, заключается в уравновешивании ситуации. Что касается балансировщика нагрузки, он может отклонять или разрешать определённые детали и влиять на уровень безопасности. Он также может использовать аутентификацию для проверки подлинности пользователя. В зависимости от доступности сервера он может перенаправить запрос на другой сервер.  

Различные типы балансировщиков нагрузки

Здесь мы рассмотрим несколько типов балансировщиков нагрузки, чтобы вы могли лучше понять эту технологию и её историю.

Сетевые балансировщики нагрузки серверов

Эта технология появилась в середине 1990-х годов как необходимость, вызванная внезапным всплеском трафика. Основное применение балансировщиков связано с созданием пула серверов для удовлетворения спроса на доступные ресурсы. Соединение устанавливалось на основе заголовка пакета. В частности, речь идет о 5-тупле — IP-протоколе, порте назначения, порте источника, IP-адресе назначения и IP-адресе источника. Это было началом развития сетевых балансировщиков нагрузки, которые также называли балансировщиками 4-го уровня.

Балансировщики на уровне приложений

Технологии никогда не стоят на месте, это постоянный процесс с многочисленными модернизациями и стратегиями. Это касается и балансировщиков нагрузки: вскоре они получили дополнительные функции и начали обеспечивать коммутацию контента и его распознавание. Такие балансировщики были в большей степени ориентированы на полезную нагрузку контента, а не на заголовок пакета. Их называли балансировщиками на уровне приложений или 7-го уровня, и они анализировали URL-адрес и HTTP-заголовки.

Глобальные решения для балансировки нагрузки

GSLB — это принципиально иной подход по сравнению с первыми балансировщиками нагрузки. Решения для глобального балансирования нагрузки работают в режиме реального времени и основаны на DNS, поэтому они реагируют на запросы на основе определенных алгоритмов. Такие решения можно сравнить с технологией динамического DNS, которая работает путем мониторинга и управления различными сайтами. Многие отличные балансировщики, доступные сегодня, предлагают GSLB в качестве полезного компонента.

Аппаратная балансировка нагрузки

Балансировщики нагрузки также могут быть связаны с аппаратными решениями. Такой подход гарантирует лучшие эксплуатационные характеристики и обычно используется в центрах обработки данных. Кроме того, эти варианты не требуют таких зависимостей, как готовое аппаратное обеспечение (COTS) и гипервизоры.

Программные и виртуальные балансировщики нагрузки

Сегодня технологии всё чаще основываются на облачных решениях благодаря большей гибкости. Кроме того, такие балансировщики нагрузки могут интегрироваться с системами оркестрации виртуализации. Что касается программных сред, то они основаны на процессах CI/CD и DevOps.

Масштабируемые эластичные балансировщики нагрузки

ELB обладает гораздо большими возможностями и гарантирует лучшую масштабируемость в соответствии с потребностями трафика в любой момент. Использование такого решения позволяет масштабировать трафик в приложении. Также предусмотрена возможность масштабирования по требованию и автоматического масштабирования. Эти балансировщики обеспечивают значительно более высокую отказоустойчивость приложения благодаря использованию алгоритмов маршрутизации запросов.

Понимание алгоритмов балансировки нагрузки

Алгоритмы — это конкретные правила, необходимые для того, чтобы при установке соединения определить, на какой сервер его направить. Существуют различные типы алгоритмов: некоторые из них могут быть очень сложными, тогда как другие — очень простыми. Цель всех алгоритмов — направить соединение на наиболее подходящий сервер приложения.

Наиболее распространённым алгоритмом является алгоритм «наименьшего количества соединений». Такой алгоритм работает следующим образом: он направляет соединение на сервер с наилучшей производительностью, исходя из количества активных соединений. Алгоритм «наименьшего количества соединений» учитывает продолжительность каждого соединения, оценивая те, которые в данный момент активны.  

Различные типы алгоритмов балансировки нагрузки

• ​Хеширование IP-адреса источника
• ​Наименьшее количество соединений
• ​Взвешенное циклическое распределение
• ​Взвешенное время отклика
• ​Циклическое распределение
• ​Взвешенный метод «наименьшего количества соединений»
• ​Цепочное переключение при отказе