В условиях стремительного развития цифровых сервисов и экспоненциального роста потребностей в доступе к сети, технологии балансировки нагрузки превратились в ключевую инфраструктуру, обеспечивающую доступность и устойчивость систем. Как центральная система распределения в распределенной архитектуре, она умно распределяет трафик, равномерно распределяя запросы пользователей между несколькими серверными узлами. Это эффективно решает такие проблемы, как одиночные узкие места производительности и несбалансированное использование ресурсов. Технология продолжает превращаться в критическую техническую систему, поддерживающую высокую конкурентоспособность и доступность современных интернет-сервисов.
Что такое балансировка нагрузки?
Балансировка нагрузки означает распределение нагрузки (рабочих задач или сетевых запросов) и распределение их между несколькими рабочими блоками (серверами или компонентами). Цель состоит в том, чтобы максимально равномерно распределить сетевой трафик между несколькими серверами, чтобы обеспечить высокую доступность всей бизнес-системы.
В первые дни интернета, когда сеть была недостаточно развита, трафик был относительно низким, а сервисы — проще, одного сервера или экземпляра могло быть достаточно, чтобы удовлетворить потребности в доступе. Но сегодня, с развитием интернета, объем трафика может легко достигать десятков или даже сотен миллиардов, и одного сервера или экземпляра уже недостаточно, чтобы соответствовать требованиям, поэтому возникает необходимость в кластерах. Независимо от того, нужна ли высокая доступность или высокая производительность, требуется несколько машин для расширения мощности сервиса, и пользователи должны получать одинаковые ответы независимо от того, к какому серверу они подключаются.
С другой стороны, строительство и планирование кластеров обслуживания должно оставаться достаточно прозрачным для пользователя — даже если тысячи или десятки машин отвечают на запросы, это не должно быть проблемой для пользователя. Пользователям нужно запомнить только одно доменное имя. Технический компонент, отвечающий за планирование нескольких машин и предоставление услуг через единый интерфейс, известен как балансировщик нагрузки.
Какова роль балансировки нагрузки?
Высокая параллельность: Используя определенные алгоритмические стратегии для распределения трафика как можно более равномерно по серверным экземплярам, повышается способность кластера обрабатывать параллельные запросы.
Масштабируемость: В зависимости от объема сетевого трафика количество экземпляров серверов бэкенда может увеличиваться или уменьшаться, контролируемых устройством балансировки нагрузки, обеспечивая масштабируемость кластера.
Высокая доступность: Балансировщик нагрузки отслеживает рабочие экземпляры с помощью алгоритмов или другой статистики производительности. В случае перегрузки или сбоя экземпляра, балансировщик уменьшает его нагрузку или полностью исключает его, направляя запросы к другим доступным экземплярам, обеспечивая таким образом высокую доступность.
Защита безопасности: Некоторые балансировщики нагрузки предлагают функции безопасности, такие как обработка черных/белых списков и фаерволы.
Как работает балансировка нагрузки?
Балансировку нагрузки можно реализовать несколькими способами.
Аппаратные балансировщики нагрузки — это физические устройства, установленные и обслуживаемые на месте.
Программные балансировщики нагрузки — это приложения, устанавливаемые на серверы, находящиеся в частной собственности, или используемые в качестве управляемых облачных сервисов (балансировка нагрузки в облаке).
Балансировщики нагрузки работают, регулируя запросы клиентов в режиме реального времени и определяя, какие серверы лучше всего подходят для их обработки. Чтобы предотвратить перегрузку любого отдельного сервера, балансировщик нагрузки направляет запросы на любое количество доступных серверов, независимо от того, находятся ли они на месте или размещены на серверных фермах или в облачных центрах обработки данных.
Как только запрос назначается, выбранный сервер отвечает клиенту через балансировщик нагрузки. Балансировщик нагрузки завершает соединение между клиентом и сервером, сопоставляя IP-адрес клиента с IP-адресом сервера. Клиент и сервер могут затем взаимодействовать и выполнять необходимые задачи до завершения сеанса.
Если наблюдается всплеск трафика, балансировщик нагрузки может запустить дополнительные серверы, чтобы удовлетворить спрос. Напротив, если трафик снижается, он может уменьшить количество доступных серверов. Также он может помочь кэшированию сети, направляя трафик на серверы кэширования, которые временно хранят предыдущие запросы пользователей.
Разница между аппаратными и программными балансировщиками нагрузки
▪️Самое очевидное различие заключается в том, что аппаратные балансировщики нагрузки требуют использования специализированных устройств, монтируемых в стойку, тогда как программные балансировщики нагрузки достаточно установить на стандартные серверы x86 или виртуальные машины. Аппаратные сетевые балансировщики нагрузки, как правило, избыточны — это означает, что их мощность рассчитана с учетом возможных пиковых нагрузок. Кроме того, каждое аппаратное устройство должно дублироваться другим устройством для обеспечения высокой доступности в случае выхода из строя.
▪️Другое важное различие заключается в масштабируемости. По мере роста сетевого трафика, центры обработки данных должны обеспечивать достаточное количество балансировщиков нагрузки, чтобы удовлетворять пиковым нагрузкам. Для многих предприятий это означает, что большинство балансировщиков нагрузки остаются бездействующими до пиковых моментов (например, в Черную пятницу).
▪️Если трафик неожиданно превышает пропускную способность, это существенно влияет на опыт конечного пользователя. Программные балансировщики нагрузки, в свою очередь, могут масштабироваться эластично, чтобы удовлетворить спрос. Независимо от того, низкий или высокий трафик, программные балансировщики нагрузки могут автоматически масштабироваться в реальном времени, устраняя затраты на избыточное оснащение и заботы о неожиданных скачках.
▪️Кроме того, настройка аппаратных балансировщиков нагрузки может быть сложной. Программные балансировщики нагрузки, основанные на принципах программно-определяемых решений, охватывают несколько центров обработки данных и гибридные/многооблачные среды. На самом деле аппаратные устройства несовместимы с облачными средами, тогда как программные балансировщики нагрузки совместимы с физическими серверами, виртуальными машинами, контейнерами и облачными платформами.
Алгоритмы балансировки нагрузки
Распространенные алгоритмы балансировки нагрузки делятся на:
Общие статические алгоритмы: Round Robin, Random, Source IP Hashing, Consistent Hashing, Weighted Round Robin, Weighted Random
Распространенные динамические алгоритмы: наименьшее количество соединений, самое быстрое время отклика
☑️Случайный
Запросы случайным образом распределяются между различными узлами. Согласно теории вероятности, чем больше раз клиенты обращаются к серверу, тем ближе распределение становится к равномерному, аналогично результатам round-robin. Однако случайные стратегии могут вызвать сбои на слабо настроенных машинах, что потенциально может привести к лавинообразным сбоям. Поэтому рекомендуется использовать одинаково настроенные серверы бэкенда при применении этого метода. Производительность зависит от качества случайного алгоритма.
☑️Раунд Робин
Этот алгоритм последовательно распределяет запросы, используя DNS в непрерывном цикле. Это самый простой метод балансировки нагрузки, который опирается только на имена серверов для определения следующего получателя входящих запросов.
☑️Взвешенный алгоритм Round Robin
Помимо DNS-имен, каждому серверу присваивается "вес", который определяет его приоритет при обработке входящих запросов. Администраторы назначают веса на основе мощности серверов и потребностей сети.
☑️Взвешенный случайный
Этот метод аналогичен взвешенному циклическому методу, он назначает разные веса в зависимости от конфигурации сервера и нагрузки на систему. Основное отличие состоит в том, что серверы выбираются случайным образом в соответствии со своими весами, а не последовательно.
☑️IP Hash
Этот метод упрощает (или хеширует) IP-адрес входящего запроса в меньшее значение, называемое ключом хеширования. Затем этот уникальный ключ хеширования, представляющий IP-адрес пользователя, используется для определения сервера, на который будет направлен запрос.
☑️Наименьшее число подключений
Как следует из названия, при получении нового запроса клиента этот алгоритм выделяет серверы с наименьшим количеством активных подключений. Это помогает предотвратить перегрузку сервера и поддерживать равномерное распределение нагрузки между серверами.
☑️Наименьшее время отклика
Этот алгоритм объединяет метод наименьшего числа подключений с кратчайшим средним временем ответа сервера. Он оценивает как количество подключений, так и время, необходимое серверам для обработки и ответа на запросы. Запрос получает сервер с наименьшим количеством активных подключений и самым быстрым ответом.
☑️Хэширование источника
На основе исходного IP-адреса запроса вычисляется хэш, и результат используется для выбора сервера из списка с помощью операции модуля. Этот метод часто применяется для кэширования или запросов в одной сессии. Однако у него есть недостатки — если пользователь (например, с черного рынка) генерирует слишком много трафика, это может перегрузить сервер, вызывая сбои в обслуживании и проблемы с доступом. Поэтому также требуются стратегии деградации.
☑️Консистентное хеширование
Специализированный алгоритм хеширования, который при добавлении сервера направляет только часть запросов с прежних узлов на новый узел, обеспечивая плавную миграцию.
Типы балансировщиков нагрузки
Хотя все типы распределяют трафик, определенные типы выполняют специфические функции.
✔️Балансировщики сетевой нагрузки
Оптимизируйте трафик и снижайте задержки в локальных и глобальных сетях. Они используют сетевую информацию, такую как IP-адреса и целевые порты, а также протоколы TCP и UDP, для маршрутизации сетевого трафика, обеспечивая достаточную пропускную способность для удовлетворения потребностей пользователей.
✔️Балансировщики нагрузки приложений
Используйте содержимое уровня приложений, такое как URL-адреса, сеансы SSL и заголовки HTTP, чтобы направлять трафик запросов API. Поскольку у нескольких серверов уровня приложений часто имеются перекрывающиеся функции, проверка этого содержимого помогает определить, какой сервер может быстро и надежно выполнить конкретные запросы.
✔️Виртуальные балансировщики нагрузки
Благодаря развитию виртуализации и технологий VMware, виртуальные балансировщики нагрузки теперь используются для оптимизации трафика между серверами, виртуальными машинами и контейнерами. Открытые инструменты оркестровки контейнеров, такие как Kubernetes, предоставляют функции виртуального распределения нагрузки для маршрутизации запросов между контейнерными узлами в кластере.
✔️Глобальные балансировщики нагрузки серверов
Направляйте трафик на серверы в разных географических точках, чтобы обеспечить доступность приложений. Запросы пользователей можно направлять на ближайший доступный сервер или, в случае сбоя, на сервер в другой точке. Такая возможность переключения делает глобальное балансирование нагрузки важной частью восстановления после сбоев.
Эффективное резервное копирование виртуальных машин с помощью Vinchin Backup & Recovery
При достижении эффективного балансирования нагрузки предприятиям также требуются надежные решения по защите данных. Vinchin Backup & Recovery — это решение, которое может обеспечить комплексную поддержку резервного копирования и восстановления данных для виртуализованных сред.
Vinchin Backup & Recovery — это передовое решение для защиты данных, которое поддерживает широкий спектр популярных платформ виртуализации, включая VMware, Hyper-V, XenServer, Red Hat Virtualization, Oracle, Proxmox, и др., а также базы данных, NAS, серверы файлов, Linux и Windows Server. Оно предоставляет продвинутые функции, такие как резервное копирование без агентов, инкрементальное резервное копирование на постоянной основе, миграция V2V, мгновенное восстановление, детализированное восстановление, шифрование резервных копий, сжатие, устранение дубликатов и защита от вымогателей. Все это ключевые факторы, обеспечивающие безопасность данных и оптимизацию использования ресурсов хранения.
Чтобы создать резервную копию виртуальной машины с помощью Vinchin Backup & Recovery, выполните следующие шаги:
1. Выберите виртуальную машину, которую необходимо сохранить
2. Укажите место назначения резервной копии
3. Настройка стратегий резервного копирования
4. Отправить задание резервного копирования
Vinchin Backup & Recovery доверяют тысячи пользователей по всему миру. Попробуйте его в течение 60-дневного полнофункционального пробного периода. Или поделитесь своими конкретными потребностями, и вы получите индивидуальное решение для вашей ИТ-инфраструктуры.
Виртуальная балансировка нагрузки на машинах: Часто задаваемые вопросы
1. В чем разница между балансировкой нагрузки и высокой доступностью (HA)?
Балансировка нагрузки эффективно распределяет рабочие нагрузки между ресурсами. Высокая доступность гарантирует перезапуск виртуальных машин на других хостах в случае выхода из строя текущего хоста. Они часто работают вместе, чтобы повысить общую устойчивость системы.
2. Что такое правила подобия и антиподобия в балансировке нагрузки?
Правила аффинитета сохраняют указанные виртуальные машины вместе на одном хосте. Правила анти-аффинитета обеспечивают размещение виртуальных машин на разных хостах (например, для обеспечения отказоустойчивости). Эти правила направляют балансировщик нагрузки, чтобы учитывать связи рабочих нагрузок во время миграций.
Заключение
Балансировка нагрузки не гарантирует равномерного распределения сетевого трафика по серверам внутреннего уровня. Вместо этого, ее роль заключается в обеспечении пользовательского опыта даже во время непредвиденных событий. Хорошо спроектированная архитектура и эластичная масштабируемость могут значительно повысить эффективность балансировки нагрузки.
