Что такое балансировка нагрузки? Балансировка нагрузки

Когда мощности сервера уже не хватает, встает вопрос, каким путем идти дальше. Апгрейд часто не дает пропорционального прироста и к тому же не обеспечивает требуемой отказоустойчивости. Поэтому самым верным шагом будет установка второго сервера, который возьмет на себя часть нагрузки. Остается выбрать приложение, которое будет обеспечивать балансировку.

Из чего выбирать?

Решения для балансировки сетевой нагрузки только на первый взгляд выглядят одинаково. На самом деле в процессе участвует множество технологий и алгоритмов, поэтому найти два одинаковых продукта невозможно. Неочевидными особенностями может быть поддержка определенных протоколов (например, только HTTP или любые), есть и множество других параметров.

Кроме того, системы балансировки нагрузки могут перенаправлять трафик клиентов на избранный сервер несколькими способами. Самые популярные: трансляция сетевых адресов (Network Address Translation) и отсылка через шлюз TCP (TCP gateway). В первом случае балансировщик на лету подменяет в пакете IP-адреса, чем скрывает IP сервера от клиента и наоборот. Если же IP клиента нужно конечному приложению для статистики или любых других операций, его обычно сохраняют в HTTP-заголовке X-Forwarded-for. При использовании другого протокола следует убедиться, что подобная возможность реализована. В случае TCP gateway балансировщик умеет управлять трафиком на L4 (транспортном) уровне и даже на уровне приложения (L7). Для этого он устанавливает соединение и смотрит внутрь пакета. Обычно клиент и приложение обмениваются информацией через балансировщик. Но в последнее время становится все более популярной конфигурация сервера с прямым возвратом (Direct Server Return, DSR) когда ответ от сервера идет к клиенту напрямую, а не через устройство балансировки. Использование DSR уменьшает нагрузку на балансировщик, но не позволяет использовать куки и расшифровывать SSL. Данный способ на порядок быстрее, чем использование NAT-балансировки, и позволяет сервисам видеть реальные IP-адреса клиентов.

Также в системах можно встретить разные методы балансировки. Разберемся с назначением некоторых из них. В настройках продуктов они могут иметь отличные названия или свои особенности в реализации, но часто их суть одна.
Самый простой - Round Robin DNS, это специальный DNS-сервер, содержащий несколько А-записей и их вес (опционально) и выдающий при запросе клиентов различные IP-адреса. Минусы очевидны. Он абсолютно не владеет информацией о текущей загрузке и состоянии бэкендов, не учитывает предыдущие подключения клиентов (немного сглаживает ситуацию DNS-кеш).

Есть аналогичный по названию алгоритм, но реализованный средствами самого балансировщика - Round Robin. Все клиенты равномерно распределяются по бэкендам, и обычно какие-либо другие параметры не учитываются. Алгоритм распределения по весу (Round Robin Weighted) учитывает значение параметра Weight, указанного для каждого сервера. Проставив больший вес для более мощного сервера, мы сможем направить к нему больше клиентов. Несколько иначе действует распределение по приоритету. В этом алгоритме работает только сервер с большим приоритетом, остальные подключаются, как правило, только в случае его отказа. Этот вариант позволяет строить кластер с одним активным узлом, например когда второй сервер выполняет другую роль и только подстраховывает первый. Еще один вариант - Least Connection (Least Session) - соединение принимает сервер, обслуживающий наименьшее количество соединений (сессий), но соединения могут быть разные (пользователь активен или пассивен) и, соответственно, давать разную нагрузку на сервер. А вот алгоритм Least Bandwidth учитывает действительную загрузку сети.

Hash sticky client - клиент привязывается к одному серверу, для этого в специальную таблицу помещается хеш-строка, указывающая на его IP. Возможны варианты. Клиент всегда идет к одному серверу, а в случае его выхода подключение невозможно. Или, когда не отвечает «родной», он соединяется с другими системами.

Доступность бэкендов определяется двумя: активный (keepalives, балансировщик сам опрашивает серверы) и пассивный (In-Band, контролируются текущие соединения, ответы сервиса).

BalanceNG

Проект номер один в списке - BalanceNG , является развитием Open Source решения Balance , но распространятся уже под двойной лицензией (коммерческой и бесплатной Free Basic License). В бесплатной версии можно подключать один виртуальный сервер и два узла, чего с учетом возможностей достаточно, чтобы без проблем справиться со средней, а иногда и большой нагрузкой. Представляет собой решение для балансировки IP-нагрузки, поддерживающее IPv6, предлагает несколько методов управления выбора бэкенда (Round Robin, Random, Weighted Random, Least Session, Least Bandwidth, Hash, Agent и Randomized Agent).

В продукте использован оригинальный движок, работающий на Layer 2 (Ethernet), балансировка ведется на основе IP-адреса клиента, без привязки к портам работать может с любым сервисом. Поддерживает DNS GSLB (Global Server Load-Balancing) и конфигурацию сервера с прямым возвратом Direct Server Return (DSR), когда ответ от сервера идет к клиенту напрямую, а не через устройство балансировки. Содержит настраиваемый агент проверки UDP, поддерживает VRRP для установки высокодоступных конфигураций на многих узлах. Встроенные механизмы позволяют произвести захват и сохранение пакетов при помощи pcap для дальнейшего исследования. Предусмотрено несколько вариантов проверки работоспособности конечных систем: агент, ping, TCP Open, скрипт и другие инструменты вроде wget.

Возможно резервирование балансировщика с репликацией NAT-состояний между основным и резервным узлами, клиент при переподключении подсоединяется к тому же серверу. Для сохранения сессии используется IP-адрес клиента и порт назначения. Поддерживается Linux bonding. Все таблицы хранятся в ОЗУ, но требования невелики, для 4 миллионов сессий достаточно 512 Мб памяти.
Может работать в Linux (с использованием сокета API PF_PACKET) и SPARC/Intel Solaris (Streams/DLPI API). Для установки предлагаются rpm (Red Hat RHEL 6 / CentOS) и deb (Debian/Ubuntu) пакеты и тарбал для остальных дистрибутивов. Также доступен готовый образ для виртуальной машины (на базе Ubuntu 8.04), что позволяет быстро развернуть нужную функциональность. Во время закачки будут показаны все пароли для входа. Агент (bngagent) поставляется с открытым исходным кодом и поддерживает Linux, Solaris, OS X, HP-UX и другие.
Какой-либо интерфейс для настройки не предусмотрен, все установки производятся при помощи конфигурационного файла /etc/bng.conf. В принципе, сложным его назвать нельзя, особенно учитывая, что на сайте проекта доступно более десятка готовых примеров, часто нужно лишь выбрать наиболее подходящий и отредактировать под себя.

HAProxy

Работает на нескольких архитектурах x86, x86_64, Alpha, SPARC, MIPS, PARISC. Официально поддерживает Linux 2.6.32+ (рекомендуется для максимальной производительности) и 2.4, Solaris 8–10, FreeBSD, OpenBSD. Установка и настройка тривиальны, хотя пакет в репозиториях не присутствует. Проект предлагает исходный код под лицензией GPL v2 и готовые бинарники под Linux/x86 Glibc 2.2 и Solaris8/Sparc.

Pound - прокси и балансировка HTTP и HTTPS

Первоначальная цель проекта Pound - распределение нагрузки между несколькими серверами Zope, в итоге получился узконаправленный инструмент, представляющий собой обратный прокси и балансировщик нагрузки для HTTP и HTTPS.

Балансировка производится по состоянию сессии и другим параметрам (URL, аутентификации, cookies, HTTP headers). Полная поддержка WebDAV. В отличие от HAProxy обрабатывает SSL. Разработан в IT-компании, занимающейся безопасностью, что также сказалось на возможностях продукта. Особенностью является наличие базовых функций Web Application Firewall, Pound умеет контролировать корректность заголовков HTTP и HTTPS, отбрасывая неправильные. По умолчанию пропускаются все запросы, но можно создать шаблоны URL и тип запросов (стандартные, расширенные, RPC и WebDAV), которые будут проверяться на соответствие. По результатам выбирается конечный сервер или соединение блокируется. Дизайн изначально предусматривает минимальное вмешательство в трафик (например, встраивание cookie), но может прописывать X-Forwarded-for для передачи на бэкенд сервера IP-адреса пользователя.

Поддерживает IPv6, может перебрасывать IPv6 клиентов к серверам IPv4. Информация о сеансе сохраняется, и клиент в последующем подключается к своему серверу.

Из специфики - возможна не только отправка соединения к бэкенду, но и редирект на другой URL.

Pound не требует много ресурсов, примечательно, что кроме как за считыванием SSL-сертификатов демон не обращается к харду. Может быть запущен в chroot и использовать setuid/setgid. Каких-либо встроенных механизмов отказоустойчивости нет. Проверка работоспособности бэкендов производится всегда по HTTP.

На процессоре уровня Pentium D позволяет достичь примерно 600–800 HTTP- и 200–300 HTTPS-соединений в секунду. Поэтому конек Pound - небольшие проекты с упором на доступность, безопасность и больший контроль над трафиком. Для более высокой нагрузки сами разработчики Pound рекомендуют воспользоваться другими решениями.

Установка и настройка не представляют больших сложностей, хотя и производятся при помощи конфигурационных файлов (документация очень подробная). Официально был протестирован на Linux, Solaris и OpenBSD. Проект предлагает только исходные тексты, в репозиториях SUSE, Debian и Ubuntu можно найти готовые пакеты, кроме этого, на сайте есть ссылки для Red Hat и готового дистрибутива, собранного на базе FreeBSD.

Вопрос о планировании нагрузки следует решать ещё на ранней стадии развития любого веб-проекта. «Падение» сервера (а оно всегда происходит неожиданно, в самый неподходящий момент) чревато весьма серьёзными последствиями — как моральными, так и материальными. Первоначально проблемы недостаточной производительности сервера в связи ростом нагрузок можно решать путем наращивания мощности сервера, или же оптимизацией используемых алгоритмов, программных кодов и так далее. Но рано или поздно наступает момент, когда и эти меры оказываются недостаточными.

Приходится прибегать к кластеризации: несколько серверов объединяются в кластер; нагрузка между ними распределяется при помощи комплекса специальных методов, называемых балансировкой. Помимо решения проблемы высоких нагрузок кластеризация помогает также обеспечить резервирование серверов друг на друга.
Эффективность кластеризации напрямую зависит от того, как распределяется (балансируется) нагрузка между элементами кластера.

Балансировка нагрузки может осуществляться при помощи как аппаратных, так и программных инструментов. Об основных методах и алгоритмах и балансировки мы бы хотели рассказать в этой статье.

Уровни балансировки

Процедура балансировки осуществляется при помощи целого комплекса алгоритмов и методов, соответствующим следующим уровням модели OSI:

сетевому;
транспортному;
прикладному.

Рассмотрим эти уровни более подробно.

Балансировка на сетевом уровне

Балансировка на сетевом уровне предполагает решение следующей задачи: нужно сделать так, чтобы за один конкретный IP-адрес сервера отвечали разные физические машины. Такая балансировка может осуществляться с помощью множества разнообразных способов.

Балансировка на транспортном уровне

Этот вид балансировки является самым простым: клиент обращается к балансировщику, тот перенаправляет запрос одному из серверов, который и будет его обрабатывать. Выбор сервера, на котором будет обрабатываться запрос, может осуществляться в соответствии с самыми разными алгоритмами (об этом ещё пойдёт речь ниже): путём простого кругового перебора, путём выбора наименее загруженного сервера из пула и т.п.

Иногда балансировку на транспортном уровне сложно отличить от балансировки на сетевом уровне. Рассмотрим следующее правило для сетевого фильтра pf в BSD-системах: так, например, формально тут идет речь про балансировку трафика на конкретном порту TCP (пример для сетевого фильтра pf в BSD-системах):

Web_servers = "{ 10.0.0.10, 10.0.0.11, 10.0.0.13 }" match in on $ext_if proto tcp to port 80 rdr-to $web_servers round-robin sticky-address

Речь в нём идет о балансировке трафика на конкретном порту TCP.

Рассмотрим теперь другой пример:

Pass in on $int_if from $lan_net \ route-to { ($ext_if1 $ext_gw1), ($ext_if2 $ext_gw2) }\ round-robin

В этом правиле речь о балансировке исходящего трафика на сетевом уровне. В нём не указано ни конкретного порта, ни конкретного протокола.

Различие между уровнями балансировки можно объяснить следующим образом. К сетевому уровню относятся решения, которые не терминируют на себе пользовательские сессии. Они просто перенаправляют трафик и не работают в проксирующем режиме.
На сетевом уровне балансировщик просто решает, на какой сервер передавать пакеты. Сессию с клиентом осуществляет сервер.

На транспортном уровене общение с клиентом замыкается на балансировщике, который работает как прокси. Он взаимодействует с серверами от своего имени, передавая информацию о клиенте в дополнительных данных и заголовках. Таким образом работает, например, популярный программный балансировщик HAProxy.

Балансировка на прикладном уровне

При балансировке на прикладном уровне балансировщик работает в режиме «умного прокси». Он анализирует клиентские запросы и перенаправляет их на разные серверы в зависимости от характера запрашиваемого контента. Так работает, например, веб-сервер Nginx, распределяя запросы между фронтендом и бэкендом. За балансировку в Nginx отвечает модуль Upstream. Более подробно об особенностях балансировки Nginx на основе различных алгоритмов можно прочитать, например, .

В качестве ещё одного примера инструмента балансировки на прикладном уровне можно привести pgpool — промежуточный слой между клиентом и сервером СУБД PostgreSQL. С его помощью можно распределять запросы оп серверам баз данных в зависимости от их содержания,: например, запросы на чтение будут передаваться на один сервер, а запросы на запись — на другой. Подробнее о pgpool и специфике работы с ним можно почитать в этой статье).

Алгоритмы и методы балансировки

Существует много различных алгоритмов и методов балансировки нагрузки. Выбирая конкретный алгоритм, нужно исходить, во-первых, из специфики конкретного проекта, а во-вторых — из целей. которые мы планируем достичь.

В числе целей, для достижения которых используется балансировка, нужно выделить следующие:

справедливость : нужно гарантировать, чтобы на обработку каждого запроса выделялись системные ресурсы и не допустить возникновения ситуаций, когда один запрос обрабатывается, а все остальные ждут своей очереди;
эффективность : все серверы, которые обрабатывают запросы, должны быть заняты на 100%; желательно не допускать ситуации, когда один из серверов простаивает в ожидании запросов на обработку (сразу же оговоримся, что в реальной практике эта цель достигается далеко не всегда);
сокращение времени выполнения запроса : нужно обеспечить минимальное время между началом обработки запроса (или его постановкой в очередь на обработку) и его завершения;
сокращение времени отклика : нужно минимизировать время ответа на запрос пользователя.

Очень желательно также, чтобы алгоритм балансировки обладал следующими свойствами:

предсказуемость : нужно чётко понимать, в каких ситуациях и при каких нагрузках алгоритм будет эффективным для решения поставленных задач;
масштабирумость : алгоритм должен сохранять работоспособность при увеличении нагрузки.

Round Robin

Round Robin, или алгоритм кругового обслуживания, представляет собой перебор по круговому циклу: первый запрос передаётся одному серверу, затем следующий запрос передаётся другому и так до достижения последнего сервера, а затем всё начинается сначала.

Самой распространёной имплементацией этого алгоритма является, конечно же, метод балансировки Round Robin DNS. Как известно, любой DNS-сервер хранит пару «имя хоста — IP-адрес» для каждой машины в определённом домене. Этот список может выглядеть, например, так:

Example.com xxx.xxx.xxx.2 www.example.com xxx.xxx.xxx.3

С каждым именем из списка можно ассоциировать несколько IP-адресов:

Example.com xxx.xxx.xxx.2 www.example.com xxx.xxx.xxx.3 www.example.com xxx.xxx.xxx.4 www.example.com xxx.xxx.xxx.5 www.example.com xxx.xxx.xxx.6

DNS-сервер проходит по всем записям таблицы и отдаёт на каждый новый запрос следующий IP-адрес: например, на первый запрос — xxx.xxx.xxx.2, на второй — ххх.ххх.ххх.3, и так далее. В результате все серверы в кластере получают одинаковое количество запросов.

В числе несомненных плюсов этого алгоритма следует назвать, во-первых, независимость от протокола высокого уровня. Для работы по алгоритму Round Robin используется любой протокол, в котором обращение к серверу идёт по имени.
Балансировка на основе алгоритма Round Robin никак не зависит от нагрузки на сервер: кэширующие DNS-серверы помогут справиться с любым наплывом клиентов.

Использование алгоритма Round Robin не требует связи между серверами, поэтому он может использоваться как для локальной, так и для глобальной балансировки,.
Наконец, решения на базе алгоритма Round Robin отличаются низкой стоимостью: чтобы они начали работать, достаточно просто добавить несколько записей в DNS.

Алгоритм Round Robin имеет и целый ряд существенных недостатков недостатков. Чтобы распределение нагрузки по этому алгоритму отвечало упомянутым выше критериями справедливости и эффективности, нужно, чтобы у каждого сервера был в наличии одинаковый набор ресурсов. При выполнении всех операций также должно быть задействовано одинаковое количество ресурсов. В реальной практике эти условия в большинстве случаев оказываются невыполнимыми.

Также при балансировке по алгоритму Round Robin совершенно не учитывается загруженность того или иного сервера в составе кластера. Представим себе следующую гипотетическую ситуацию: один из узлов загружен на 100%, в то время как другие — всего на 10 - 15%. Алгоритм Round Robin возможности возникновения такой ситуации не учитывает в принципе, поэтому перегруженный узел все равно будет получать запросы. Ни о какой справедливости, эффективности и предсказуемости в таком случае не может быть и речи.

В силу описанных выше обстоятельств сфера применения алгоритма Round Robin весьма ограничена.

Weighted Round Robin

Это — усовершенствованная версия алгоритма Round Robin. Суть усовершенствований заключается в следующем: каждому серверу присваивается весовой коэффициент в соответствии с его производительностью и мощностью. Это помогает распределять нагрузку более гибко: серверы с большим весом обрабатывают больше запросов. Однако всех проблем с отказоустойчивостью это отнюдь не решает. Более эффективную балансировку обеспечивают другие методы, в которых при планировании и распределении нагрузки учитывается большее количество параметров.

Least Connections

В предыдущем разделе мы перечислили основные недостатки алгоритма Round Robin. Назовём ещё один: в нём совершенно не учитывается количество активных на данный момент подключений.

Рассмотрим практический пример. Имеется два сервера — обозначим их условно как А и Б. К серверу А подключено меньше пользователей, чем к серверу Б. При этом сервер А оказывается более перегруженным. Как это возможно? Ответ достаточно прост: подключения к серверу А поддерживаются в течение более долгого времени по сравнению с подключениями к серверу Б.

Описанную проблему можно решить с помощью алгоритма, известного под названием least connections (сокращённо — leastconn). Он учитывает количество подключений, поддерживаемых серверами в текущий момент времени. Каждый следующий вопрос передаётся серверу с наименьшим количеством активных подключений.

Существует усовершенствованный вариант этого алгоритма, предназначенный в первую очередь для использования в кластерах, состоящих из серверов с разными техническими характеристиками и разной производительностью. Он называется Weighted Least Connections и учитывает при распределении нагрузки не только количество активных подключений, но и весовой коэффициент серверов.

В числе других усовершенствованных вариантов алгоритма Least Connections следует прежде всего выделить Locality-Based Least Connection Scheduling и Locality-Based Least Connection Scheduling with Replication Scheduling.

Первый метод был создан специально для кэширующих прокси-серверов. Его суть заключается в следующем: наибольшее количество запросов передаётся серверам с наименьшим количеством активных подключений. За каждым из клиентских серверов закрепляется группа клиентских IP. Запросы с этих IP направляются на «родной» сервер, если он не загружен полностью. В противном случае запрос будет перенаправлен на другой сервер (он должен быть загружен менее чем наполовину).

В алгоритме Locality-Based Least Connection Scheduling with Replication Scheduling каждый IP-адрес или группа IP-адресов закрепляется не за отдельным сервером, а за целой группой серверов. Запрос передаётся наименее загруженному серверу из группы. Если же все серверы из «родной» группы перегружены, то будет зарезервирован новый сервер. Этот новый сервер будет добавлен к группе, обслуживающей IP, с которого был отправлен запрос. В свою очередь наиболее загруженный сервер из этой группы будет удалён — это позволяет избежать избыточной репликации.

Destination Hash Scheduling и Source Hash Scheduling

Алгоритм Destination Hash Scheduling был создан для работы с кластером кэширующих прокси-серверов, но он часто используется и в других случаях. В этом алгоритме сервер, обрабатывающий запрос, выбирается из статической таблицы по IP-адресу получателя.

Алгоритм Source Hash Scheduling основывается на тех же самых принципах, что и предыдущий, только сервер, который будет обрабатывать запрос, выбирается из таблицы по IP-адресу отправителя.

Sticky Sessions

Sticky Sessions — алгоритм распределения входящих запросов, при котором соединения передаются на один и тот же сервер группы. Он используется, например, в веб-сервере Nginx. Сессии пользователя могут быть закреплены за конкретным сервером с помощью метода IP hash (подробную информацию о нём см. в официальной документации). С помощью этого метода запросы распределяются по серверам на основе IP-aдреса клиента. Как указано в документации (см. ссылку выше), «метод гарантирует, что запросы одного и того же клиента будет передаваться на один и тот же сервер». Если закреплённый за конкретным адресом сервер недоступен, запрос будет перенаправлен на другой сервер. Пример фрагмента конфигурационного файла:

Upstream backend { ip_hash; server backend1.example.com; server backend2.example.com; server backend3.example.com; server backend4.example.com; }

Начиная с версии 1.2.2 в Nginx для каждого сервера можно указывать вес.

Применение этого метода сопряжено с некоторыми проблемами. Проблемы с привязкой сессий могут возникнуть, если клиент использует динамический IP. В ситуации, когда большое количество запросов проходит через один прокси-сервер, балансировку вряд ли можно назвать эффективной и справедливой. Описанные проблемы, однако, можно решить, используя cookies. В коммерческой версии Nginx имеется специальный модуль sticky, который как раз использует cookies для балансировки. Есть у него и бесплатные аналоги — например, nginx-sticky-module .
Можно использовать метод sticky-sessions и в HAProxy — подробнее об этом можно прочитать, например,

Заключение

Эта статья по сути представляет собой введение в проблематику балансировки нагрузки. Обсуждение этой темы мы продолжим и в дальнейших публикациях. Если у вас есть вопросы, замечания и дополнения — добро пожаловать в комментарии. Будем также признательны, если вы поделитесь нетривиальными практическими примерами организации балансировки нагрузки для различных проектов.

Читателей, которые по тем или иным причинам не могут оставлять комментарии здесь, приглашаем в наш блог .

Теги: Добавить метки

балансировка нагрузки спаренных двигателей - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN twin engine load balancing … Справочник технического переводчика

Балансировка колеса - У этого термина существуют и другие значения, см. Балансировка. Балансировка колёс процесс уменьшения до приемлемого уровня дисбаланса колеса, диска, ступицы, крепления колеса и элементов подвески. Содержание 1 Необходимость б … Википедия

Балансировка - Список значений слова или словосочетания со ссылками на соответствующие статьи. Если вы попали сюда из … Википедия

ГОСТ 19534-74: Балансировка вращающихся тел. Термины - Терминология ГОСТ 19534 74: Балансировка вращающихся тел. Термины оригинал документа: 2. n опорный ротор D. n Lagerrotor Е. n support rotor Single support rotor F. Rotor a n support Ротор, имеющий n опор Определения термина из разных документов:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Brocade Communications Systems - Brocade, Inc. Тип Публичная компания Листинг на бирже NASDAQ: BRCD Год основания … Википедия

Kerio winroute firewall - Тип межсетевой экран Разработчик Kerio Technologies ОС Windows Версия 6.7 (1 августа 2009) Лицензия … Википедия

Kerio Control - Тип межсетевой экран Разработчик Kerio Technologies Операционная система Windows Последняя версия 7.4.0 (30 октября 2012) Лицензия проприетарная Сайт … Википедия

Нагрузочное тестирование - (англ. Load Testing) определение или сбор показателей производительности и времени отклика программно технической системы или устройства в ответ на внешний запрос с целью установления соответствия требованиям, предъявляемым к данной системе … Википедия

Тестирование производительности - В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

Облачные вычисления - (англ. cloud computing), в информатике это модель обеспечения повсеместного и удобного сетевого доступа по требованию к общему пулу (англ. pool) конфигурируемых вычислительных ресурсов (например, сетям передачи данных,… … Википедия

В терминологии компьютерных сетей балансировка (выравнивание) нагрузки – распределение процесса выполнения заданий между несколькими серверами сети с целью оптимизации использования ресурсов и сокращения времени вычисления.

Типы серверов, которые должны быть сбалансированы:

серверные кластеры;

межсетевые экраны;

серверы инспектирования содержания (такие как AntiVirus- или AntiSpam- серверы).

Обычно системы балансировки загрузки серверов используют возможности уровня L4 (UDP/TCP). При этом контролируется доступность сервера по IP-адресу и номеру порта и принимается решение: какому из доступных серверов следует переслать запрос. Наиболее часто для выбора сервера используется карусельный алгоритм (round-robin). В этом варианте предполагается, что все запросы создают одинаковую загрузку и длительность исполнения. В более продвинутых вариантах алгоритма используется уровень занятости сервера и число активных соединений.

Раньше возможности балансировки нагрузки встраивались в саму прикладную программу или операционную систему. Современные системы балансировки нагрузки должны удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать управление трафиком, чтобы гарантировать доступность приложения и распределение нагрузки в условиях фермы серверов (группа серверов, соединенных сетью передачи данных и работающих как единое целое);

ускорять выполнение приложений в несколько раз;

гарантировать защиту приложений, сохранность данных и обеспечение мониторинга трафика.

Здесь важно учитывать, что доступность IP-адреса и порта еще не гарантирует доступа к приложению.

В последнее время для решения задачи балансировки нагрузки все чаще используется прикладной уровень. При этом в процессе принятия решения учитывается тип клиента, запрашиваемый URL, информация из cookie, возможности конкретного сервера и тип прикладной программы, что позволяет оптимизировать использование ресурсов системы.

Довольно существенные преимущества может предоставить система GSLB (Global Server Load Balancing), которая способна решать задачу балансировки для произвольно расположенных ферм серверов с учетом их удаленности от клиента. Эта система может поддерживать несколько разных алгоритмов распределения нагрузки и обеспечивать оптимальное обслуживание клиентов, разбросанных по всему миру. Для администраторов система дает возможность формирования гибкой политики управления ресурсами.

Одним из способов ускорения обслуживания является кэширование. В случае хорошо сконфигурированного кэша доля запросов, удовлетворяемых кэшем, может достигать 40%. При этом ускорение обслуживания может быть улучшено в 30 раз.

Еще одним методом ускорения обслуживания может служить архивация данных, так как в этом варианте понижается уровень перегрузки каналов сети.

Управление балансировкой нагрузки можно совместить с функцией прикладного межсетевого экрана (70% успешных вторжений использует уязвимости приложений) и с использованием SSL по VPN-туннелю. SSL – Secure Sockets Layer – криптографический протокол, который обеспечивает установление безопасного соединения между клиентом и сервером.

Для достижения максимальной пропускной способности и отказоустойчивости межсетевые экраны позволяют распределить или сбалансировать нагрузку, используя все имеющиеся каналы Интернета (серверов) одновременно. Например, можно избежать такой ситуации, когда передаваемые по сети пакеты идут через одного провайдера, в то время как выход в Интернет через другого провайдера простаивает без дела. Или распределить сервисы и направить трафик через все имеющиеся Интернет-каналы. Возможна настройка балансировки нагрузки, если соединения с провайдерами осуществляются с разными типами подключения (Static IP, PPPoE, PPTP/L2TP), а также – для балансировки трафика, проходящего через VPN-туннели, установленные на разных физических интерфейсах.

Рис. 4.12. Балансировка нагрузки по нескольким маршрутам

В межсетевых экранах D-Link серии NetDefend предусмотрена функция, предназначенная для балансировки сетевой нагрузки по разным маршрутам – Route Load Balancing (RLB ) , возможности которой обеспечивают:

балансировку трафика между интерфейсами на основе политик;

балансировку нагрузки трафика при одновременном множественном доступе в Интернет, пользуясь услугами двух и более провайдеров;

балансировку трафика, проходящего через VPN-туннели, установленные на разных физических интерфейсах.

Функция балансировки нагрузки в межсетевых экранах NetDefend активируется на основе таблицы маршрутизации путем создания объекта RLB Instance , в котором определены два параметра: таблица маршрутизации и RLB-алгоритм. С таблицей маршрутизации может быть связан только один объект Instance.

Рис. 4.13. Выбор алгоритма распределения нагрузки в межсетевых экранах NetDefend

Есть возможность выбрать один из алгоритмов распределения нагрузки между Интернет-интерфейсами:

Алгоритм Round Robin распределяет нагрузку между интерфейсами WAN1 и WAN2 последовательно (поочередно). Каждый раз, когда возникает новая исходящая сессия с интерфейса LAN, выбирается интерфейс WAN1 или WAN2 для отправки пакетов. В дальнейшем, пакеты данной сессии будут использовать ранее определенный WAN-интерфейс. TCP-сессия открывается и закрывается на одном и том же WAN-интерфейсе.

Алгоритм Destination позволит избежать проблем с некоторыми протоколами при использовании балансировки, например FTP. Данный алгоритм работает аналогично алгоритму Round Robin, за исключением того, что все данные к удаленному хосту идут через тот интерфейс, через который соединение было установлено.

Значение Spillover определяет предельное значение нагрузки для основного WAN-порта (Routing → Route Load Balancing > Algoritm Setings ) . При достижении этой нагрузки за указанный период начнет использоваться второй WAN-порт (для новых сессий). Как только загрузка основного канала упадет, новые сессии будут открываться на нем.

Round Robin

Метрика каждого маршрута по умолчанию равна нулю. При использовании взаимосвязанных алгоритмов Round Robin и Destination можно устанавливать разные значения метрик, позволяющие создать приоритет выбора маршрутов. Маршруты с минимальным значением метрики будут выбираться чаще, чем маршруты с более высоким значением.

Если в сценарии с двумя Интернет-провайдерами (часто встречается выражение "ISP-провайдер", т.е. Internet Service Provider) требуется, чтобы большая часть трафика проходила через одно из ISP-подключений, то следует активировать RLB и назначить меньшее значение метрики для маршрута основного ISP-подключения (например, 90) относительно второго (например, 100).

Если задача заключается в равномерной балансировке трафика между двумя Интернет-провайдерами, то значение метрик для обоих маршрутов следует назначать одинаковое.

Использование метрик маршрута с алгоритмом Spillover

При использовании алгоритма Spillover для каждого маршрута обязательно должна быть определена метрика. В этом случае система NetDefendOS всегда выбирает маршрут с самым низким значением метрики. Алгоритм не предназначен для работы с одинаковыми метрическими значениями маршрутов, поэтому администратору следует устанавливать различные значения метрик для всех маршрутов, к которым применяется алгоритм Spillover .

Значение метрики определяет порядок, в соответствии с которым трафик перенаправляется на другой маршрут после того, как для выбранного маршрута превышено допустимое значение передаваемого трафика.

Можно создать несколько альтернативных маршрутов с различными метрическими значениями, для каждого из которых определена пороговая величина настроек алгоритма – Spillover Setting – для каждого интерфейса. Сначала выбирается маршрут с минимальной метрикой; после того как превышен допустимый порог настроек алгоритма, будет выбран следующий маршрут.

Если на всех альтернативных маршрутах достигнуты пороговые значения Spillover Setting, то маршрут не меняется.

ВНИМАНИЕ : значение метрики на интерфейсах (маршрутах), которые используются в балансировке, должно быть установлено выше, чем для остальных интерфейсов (маршрутов). Чем ниже значение метрики на интерфейсе (маршруте), тем чаще этот интерфейс (маршрут) будет использован для установки соединения, относительно интерфейса (маршрута) с большим значением метрики. Доля использования интерфейсов (маршрутов) будет пропорциональна разнице между значениями метрик на этих интерфейсах (маршрутах).

Балансировка нагрузки сети и НА-кластеризация (резервирование устройств) межсетевых экранов NetDefend

Высокий уровень сетевой отказоустойчивости достигается за счет использования двух межсетевых экранов NetDefend: основного устройства (master) и резервного устройства (slave). Основной и резервный межсетевые экраны взаимосвязаны и составляют логический HA-кластер.

Межсетевые экраны NetDefend не поддерживают балансировку нагрузки в НА-кластеризации устройств, т.е. распределение нагрузки между ними не обеспечиваетс , так как одно устройство всегда является активным (active), в то время как другое находится в режиме ожидания (passive).

Рис. 4.14. НА-кластеризация межсетевых экранов NetDefend