Що таке балансувальники навантаження: як вони працюють і навіщо вони потрібні

Балансувальник навантаження може бути як апаратним, так і програмним забезпеченням, яке використовується в пристрої, що розподіляє з’єднання. Він функціонує дещо подібно до «зворотного проксі», оскільки представляє сервери додатків для користувачів через віртуальну IP-адресу. Така технологія називається SLB (балансувальник навантаження серверів). SLB використовується як для локальних мереж (LAN), так і для пулів серверів додатків у межах одного веб-сайту.

За допомогою балансувальника навантаження можна оцінити масштабованість та доступність додатка. Один додаток може потребувати більше ресурсів, ніж може надати один сервер. Балансувальник навантаження працює з пулом серверів, розподіляючи трафік за допомогою різних алгоритмів. У разі необхідності додаткових ресурсів їх можна додати.

Балансувальник навантаження перевіряє доступність додатка на сервері. У разі виявлення проблем під час перевірки додаток вилучається з пулу доступних серверів. Коли проблеми з конкретним додатком усунуто, система моніторингу стану повертає його до пулу.

Такі балансувальники розташовані між сервером додатка та користувачами, тому можуть виконувати деякі додаткові функції. Вони можуть допомагати з перемиканням контенту та забезпечувати функції безпеки, такі як WAF та 2FA.  

Ключові переваги балансування навантаження

Ключові переваги цієї технології пов’язані з безпекою, доступністю та масштабованістю додатка. Подібно до зворотного проксі, балансування навантаження — це своєрідні ворота, що контролюють і спрямовують обсяги трафіку між сервером та користувачами.

Поширені сфери застосування балансування навантаження

• ​Автоматичне відновлення роботи на резервних майданчиках.
• ​Автоматичне виявлення проблем із серверами та перенаправлення обсягів трафіку.
• ​Видалення та додавання серверів додатків.
• ​Відсутність перебоїв під час технічного обслуговування серверів.
• ​Блокування підозрілого контенту.

Як працює балансувальник навантаження

Балансувальник навантаження працює таким чином: він надає користувачеві віртуальну IP-адресу, яка представляє додаток. Користувач підключається до цієї адреси, після чого балансувальник за допомогою алгоритмів визначає, чи слід направити з’єднання до певного додатка на сервері. Крім того, балансувальник відповідає за моніторинг та управління протягом усього періоду роботи.

Розглянемо процес роботи на набагато простішому прикладі — наприклад, агент з нерухомості допомагає клієнту з орендою нерухомості. Агент обговорює деякі деталі з клієнтом і надсилає запит власнику нерухомості щодо угоди. Власник відповідає конкретною пропозицією щодо цін, і ця інформація передається клієнту через агента. Цей процес триває до підписання договору.

Головна функція агента, як і балансувальника навантаження, полягає в збалансуванні ситуації. Що стосується балансувальника навантаження, він може відхиляти або дозволяти певні деталі та впливати на рівень безпеки. Він також може використовувати аутентифікацію для перевірки справжності користувача. Залежно від доступності сервера, він може перенаправити запит на інший сервер.  

Різні типи балансувальників навантаження

Тут ми розглянемо кілька типів балансувальників навантаження, щоб ви могли краще зрозуміти цю технологію та її історію.

Мережеві балансувальники навантаження серверів

Ця технологія з’явилася в середині 1990-х років як необхідність, спричинена раптовим сплеском трафіку. Основне застосування балансувальників пов’язане зі створенням пулу серверів для задоволення попиту на доступні ресурси. З’єднання встановлювалося на основі заголовка пакета. Зокрема, йдеться про 5-тупл — IP-протокол, порт призначення, порт джерела, IP-адресу призначення та IP-адресу джерела. Це був початок розвитку мережевих балансувальників навантаження, які також називали балансувальниками 4-го рівня.

Балансувальники на рівні додатків

Технології ніколи не стоять на місці, це постійний процес із численними модернізаціями та стратегіями. Це стосується й балансувальників навантаження: незабаром вони отримали додаткові функції та почали забезпечувати комутацію контенту та його розпізнавання. Такі балансувальники були більше орієнтовані на корисне навантаження контенту, а не на заголовок пакета. Їх називали балансувальниками на рівні додатків або 7-го рівня, і вони аналізували URL-адресу та HTTP-заголовки.

Глобальні рішення для балансування навантаження

GSLB — це принципово інший підхід порівняно з першими балансувальниками навантаження. Рішення для глобального балансування навантаження працюють у режимі реального часу та базуються на DNS, тому вони реагують на запити на основі певних алгоритмів. Такі рішення можна порівняти з технологією динамічного DNS, яка працює шляхом моніторингу та управління різними сайтами. Багато чудових балансувальників, доступних сьогодні, пропонують GSLB як корисний компонент.

Апаратне балансування навантаження

Балансувальники навантаження також можуть бути пов’язані з апаратними рішеннями. Такий підхід гарантує кращі експлуатаційні характеристики й зазвичай використовується в центрах обробки даних. Крім того, ці варіанти не потребують таких залежностей, як готове апаратне забезпечення (COTS) та гіпервізори.

Програмні та віртуальні балансувальники навантаження

Сьогодні технології все частіше базуються на хмарних рішеннях завдяки більшій гнучкості. Крім того, такі балансувальники навантаження можуть інтегруватися з системами оркестрування віртуалізації. Що стосується програмних середовищ, то вони базуються на процесах CI/CD та DevOps.

Масштабовані еластичні балансувальники навантаження

ELB має набагато більше можливостей і гарантує кращу масштабованість відповідно до потреб трафіку в будь-який момент. Застосування такого рішення дозволяє масштабувати трафік у додатку. Також передбачена можливість масштабування на вимогу та автоматичного масштабування. Ці балансувальники забезпечують значно вищу відмовостійкість додатка завдяки використанню алгоритмів маршрутизації запитів.

Розуміння алгоритмів балансування навантаження

Алгоритми — це конкретні правила, необхідні для того, щоб під час з’єднання визначити, на який сервер його надіслати. Існують різні типи алгоритмів: деякі з них можуть бути дуже складними, тоді як інші — дуже простими. Мета всіх алгоритмів — направити з’єднання на найбільш підходящий сервер додатка.

Найпоширенішим алгоритмом є алгоритм «найменшої кількості з’єднань». Такий алгоритм працює таким чином, що направляє з’єднання на сервер з найкращою продуктивністю, виходячи з кількості активних з’єднань. Алгоритм «найменшої кількості з’єднань» враховує тривалість кожного з’єднання, оцінюючи ті, що наразі активні.  

Різні типи алгоритмів балансування навантаження

• ​Хеш IP-адреси джерела
• ​Найменша кількість з’єднань
• ​Зважений циклічний розподіл
• ​Зважений час відгуку
• ​Циклічний розподіл
• ​Зважений метод «найменшої кількості з’єднань»
• ​Ланцюгове переключення при відмові