Apkrovos balansavimas: srautų paskirstymo įsisavinimas globalioms programoms

Šiuolaikiniame tarpusavyje susijusiame pasaulyje programos turi apdoroti nuolat didėjantį srauto kiekį, išlaikant optimalų našumą ir pasiekiamumą. Apkrovos balansavimas yra kritiškai svarbus metodas, leidžiantis efektyviai paskirstyti šį srautą tarp kelių serverių, taip apsaugant bet kurį atskirą serverį nuo perkrovos. Šiame straipsnyje pateikiama išsami apkrovos balansavimo, jo privalumų, įvairių algoritmų ir geriausių praktikų, skirtų jį diegti globaliose programose, apžvalga.

Kas yra apkrovos balansavimas?

Apkrovos balansavimas – tai tinklo srauto tolygaus paskirstymo procesas tarp serverių telkinio. Užuot siuntus visas gaunamas užklausas į vieną serverį, apkrovos balansavimo įrenginys paskirsto užklausas keliems serveriams, užtikrindamas, kad nė vienas serveris nebūtų perkrautas. Tai pagerina programos našumą, pasiekiamumą ir mastelio keitimo galimybes.

Įsivaizduokite judrų restoraną (jūsų programa) su tik vienu padavėju (serveriu). Piko valandomis klientai susidurtų su ilgu laukimo laiku ir prastu aptarnavimu. Dabar įsivaizduokite restoraną su keliais padavėjais (serveriais) ir šeimininku (apkrovos balansavimo įrenginiu), kuris nukreipia klientus pas laisvus padavėjus. Iš esmės taip ir veikia apkrovos balansavimas.

Kodėl apkrovos balansavimas yra svarbus?

Apkrovos balansavimas suteikia daugybę privalumų, įskaitant:

Pagerintas našumas: Paskirstant srautą tarp kelių serverių, apkrovos balansavimas sumažina atskirų serverių apkrovą, o tai lemia greitesnį atsako laiką ir pagerintą programos našumą.
Padidintas pasiekiamumas: Jei vienas serveris sugenda, apkrovos balansavimo įrenginys automatiškai nukreipia srautą į likusius veikiančius serverius, užtikrindamas, kad programa išliktų pasiekiama vartotojams. Tai itin svarbu kritinėms programoms, kur prastovos gali turėti rimtų pasekmių.
Patobulintas mastelio keitimas: Apkrovos balansavimas leidžia lengvai keisti programos mastelį, pridedant daugiau serverių į telkinį. Apkrovos balansavimo įrenginys automatiškai aptinka naujus serverius ir pradeda jiems skirstyti srautą, leisdamas jums susidoroti su didėjančiais srauto kiekiais nenutraukiant paslaugos.
Sumažintos prastovos: Planuota techninė priežiūra ar atnaujinimai gali būti atliekami atskiruose serveriuose nepaveikiant programos pasiekiamumo. Apkrovos balansavimo įrenginys tiesiog nukreipia srautą į likusius serverius priežiūros laikotarpiu.
Optimizuotas išteklių naudojimas: Apkrovos balansavimas užtikrina, kad visi telkinyje esantys serveriai būtų naudojami efektyviai, neleidžiant kai kuriems serveriams būti perkrautiems, kol kiti yra neaktyvūs.

Apkrovos balansavimo įrenginių tipai

Apkrovos balansavimo įrenginiai gali būti skirstomi į kelis tipus, atsižvelgiant į jų funkcionalumą ir diegimą:

Aparatiniai apkrovos balansavimo įrenginiai

Aparatiniai apkrovos balansavimo įrenginiai yra specializuoti fiziniai prietaisai, sukurti specialiai apkrovos balansavimui. Jie pasižymi dideliu našumu ir patikimumu, tačiau gali būti brangūs ir reikalauti specializuotų žinių juos valdyti. Pavyzdžiai apima įrenginius iš „F5 Networks“ (dabar „Keysight Technologies“ dalis) ir „Citrix“.

Programiniai apkrovos balansavimo įrenginiai

Programiniai apkrovos balansavimo įrenginiai yra programos, veikiančios standartiniuose serveriuose. Jie yra lankstesni ir ekonomiškesni nei aparatiniai, tačiau gali nepasiūlyti tokio paties našumo lygio. Populiarūs programiniai apkrovos balansavimo įrenginiai yra HAProxy, Nginx ir Apache.

Debesijos apkrovos balansavimo įrenginiai

Debesijos apkrovos balansavimo įrenginius kaip paslaugą siūlo debesijos paslaugų teikėjai, tokie kaip „Amazon Web Services“ (AWS), „Microsoft Azure“ ir „Google Cloud Platform“ (GCP). Jie yra labai gerai keičiamo mastelio ir lengvai valdomi, todėl yra populiarus pasirinkimas debesijos pagrindu veikiančioms programoms. AWS siūlo „Elastic Load Balancing“ (ELB), „Azure“ – „Azure Load Balancer“, o GCP – „Cloud Load Balancing“.

Globalūs serverių apkrovos balansavimo įrenginiai (GSLB)

GSLB paskirsto srautą tarp kelių geografiškai išsklaidytų duomenų centrų. Tai pagerina programos pasiekiamumą ir našumą vartotojams visame pasaulyje. Jei vienas duomenų centras sugenda, GSLB automatiškai nukreipia srautą į likusius veikiančius duomenų centrus. GSLB taip pat padeda sumažinti uždelsą, nukreipdamas vartotojus į jiems artimiausią duomenų centrą. Pavyzdžiai apima sprendimus iš „Akamai“ ir „Cloudflare“. Daugelis debesijos paslaugų teikėjų, tokių kaip AWS ir „Azure“, taip pat siūlo GSLB paslaugas.

Apkrovos balansavimo algoritmai

Apkrovos balansavimo algoritmai nustato, kaip srautas paskirstomas tarp telkinyje esančių serverių. Yra keletas skirtingų algoritmų, kurių kiekvienas turi savo privalumų ir trūkumų.

Ciklinis (Round Robin)

Ciklinis algoritmas paskirsto srautą kiekvienam serveriui telkinyje paeiliui. Tai paprasčiausias apkrovos balansavimo algoritmas, kurį lengva įdiegti. Tačiau jis neatsižvelgia į esamą kiekvieno serverio apkrovą, todėl ne visais atvejais gali būti efektyviausias. Pavyzdžiui, jei serveris A apdoroja skaičiavimams imlias užduotis, ciklinis algoritmas vis tiek siųs jam tiek pat srauto, kiek ir serveriui B, kuris apdoroja mažiau reikalaujančias užduotis.

Svertinis ciklinis (Weighted Round Robin)

Svertinis ciklinis yra ciklinio algoritmo variantas, leidžiantis priskirti skirtingus svorius kiekvienam serveriui. Serveriai su didesniais svoriais gauna daugiau srauto nei serveriai su mažesniais svoriais. Tai leidžia atsižvelgti į kiekvieno serverio pajėgumą ir atitinkamai paskirstyti srautą. Pavyzdžiui, serveriui su daugiau RAM ir CPU galios galima priskirti didesnį svorį.

Mažiausiai jungčių (Least Connections)

„Mažiausiai jungčių“ algoritmas nukreipia srautą į serverį su mažiausiu aktyvių jungčių skaičiumi. Šis algoritmas atsižvelgia į esamą kiekvieno serverio apkrovą ir atitinkamai paskirsto srautą. Jis paprastai yra efektyvesnis nei ciklinis, ypač kai serveriai apdoroja skirtingos trukmės užklausas. Tačiau tam reikia, kad apkrovos balansavimo įrenginys sektų aktyvių jungčių skaičių kiekvienam serveriui, o tai gali padidinti pridėtines išlaidas.

Mažiausias atsako laikas (Least Response Time)

„Mažiausias atsako laikas“ algoritmas nukreipia srautą į serverį su greičiausiu atsako laiku. Šis algoritmas atsižvelgia tiek į esamą kiekvieno serverio apkrovą, tiek į greitį, kuriuo jis apdoroja užklausas. Paprastai tai yra efektyviausias apkrovos balansavimo algoritmas, tačiau tam taip pat reikia, kad apkrovos balansavimo įrenginys stebėtų kiekvieno serverio atsako laiką, o tai gali gerokai padidinti pridėtines išlaidas.

IP maiša (IP Hash)

IP maiša naudoja kliento IP adresą, kad nustatytų, kuriam serveriui siųsti užklausą. Tai užtikrina, kad visos to paties kliento užklausos visada būtų siunčiamos į tą patį serverį. Tai naudinga programoms, kurios priklauso nuo sesijos išlaikymo („session persistence“), kai klientas turi būti prijungtas prie to paties serverio visos sesijos metu. Tačiau jei daug klientų prisijungia iš to paties IP adreso (pvz., per NAT šliuzą), šis algoritmas gali lemti netolygų srauto paskirstymą.

URL maiša (URL Hash)

URL maiša naudoja užklausos URL, kad nustatytų, kuriam serveriui siųsti užklausą. Tai gali būti naudinga statiniam turiniui talpinti podėlyje (caching), nes visos užklausos tam pačiam URL bus siunčiamos į tą patį serverį, leidžiant serveriui talpinti turinį ir greičiau jį pateikti. Panašiai kaip ir IP maišos atveju, jei nedidelis URL pogrupis yra labai dažnai pasiekiamas, tai gali lemti netolygų paskirstymą.

Geolokacija paremtas maršrutizavimas

Geolokacija paremtas maršrutizavimas nukreipia srautą į serverį, kuris yra geografiškai arčiausiai kliento. Tai gali pagerinti programos našumą sumažinant uždelsą. Pavyzdžiui, vartotojas Europoje būtų nukreiptas į serverį Europoje, o vartotojas Azijoje – į serverį Azijoje. Tai yra pagrindinis GSLB sprendimų komponentas.

Apkrovos balansavimo diegimas

Apkrovos balansavimo diegimas apima kelis etapus:

Pasirinkite apkrovos balansavimo įrenginį: Pasirinkite apkrovos balansavimo įrenginio tipą, kuris geriausiai atitinka jūsų poreikius, atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip našumas, kaina ir valdymo paprastumas.
Konfigūruokite apkrovos balansavimo įrenginį: Konfigūruokite apkrovos balansavimo įrenginį su atitinkamais nustatymais, įskaitant telkinyje esančių serverių IP adresus, apkrovos balansavimo algoritmą ir būsenos patikros parametrus.
Konfigūruokite būsenos patikras: Būsenos patikros naudojamos telkinyje esančių serverių būklei stebėti. Apkrovos balansavimo įrenginys siųs srautą tik į serverius, kurie laikomi veikiančiais. Įprastos būsenos patikros apima serverio pingavimą, konkretaus prievado būsenos tikrinimą arba užklausos siuntimą į konkretų URL.
Stebėkite apkrovos balansavimo įrenginį: Stebėkite apkrovos balansavimo įrenginį, kad įsitikintumėte, jog jis veikia tinkamai ir srautas paskirstomas tolygiai tarp telkinyje esančių serverių. Tai galima padaryti naudojant stebėjimo įrankius, kuriuos teikia apkrovos balansavimo įrenginio gamintojas, arba naudojant trečiųjų šalių stebėjimo sprendimus.

Apkrovos balansavimo geriausios praktikos

Norėdami užtikrinti, kad jūsų apkrovos balansavimo diegimas būtų efektyvus, laikykitės šių geriausių praktikų:

Naudokite būsenos patikras: Įdiekite patikimas būsenos patikras, kad užtikrintumėte, jog apkrovos balansavimo įrenginys siunčia srautą tik į veikiančius serverius. Pritaikykite būsenos patikras, kad jos tiksliai atspindėtų jūsų programos būklę.
Stebėkite našumą: Nuolat stebėkite savo apkrovos balansavimo įrenginio ir serverių našumą, kad nustatytumėte galimas problemas ir optimizuotumėte našumą. Naudokite metrikas, tokias kaip CPU panaudojimas, atminties naudojimas ir tinklo srautas, kad sektumėte savo sistemos būklę.
Pasirinkite tinkamą algoritmą: Pasirinkite apkrovos balansavimo algoritmą, kuris geriausiai atitinka jūsų poreikius. Atsižvelkite į savo programos ypatybes ir numatomus srauto modelius.
Apsaugokite savo apkrovos balansavimo įrenginį: Apsaugokite savo apkrovos balansavimo įrenginį nuo saugumo grėsmių, įdiegdami atitinkamas saugumo priemones, tokias kaip ugniasienės ir įsilaužimų aptikimo sistemos.
Planuokite mastelio keitimą: Suprojektuokite savo apkrovos balansavimo diegimą taip, kad jį būtų galima lengvai plėsti, kad galėtumėte pridėti daugiau serverių į telkinį, augant jūsų srautui.
Atsargiai naudokite „lipnias“ sesijas: Nors „lipnios“ sesijos (sesijos išlaikymas) gali būti naudingos, jos taip pat gali lemti netolygų srauto paskirstymą, jei nebus įdiegtos atsargiai. Prieš naudodami „lipnias“ sesijas, apsvarstykite galimą poveikį mastelio keitimui ir pasiekiamumui.
Įdiekite pertekliškumą: Naudokite kelis apkrovos balansavimo įrenginius perteklinėje konfigūracijoje, kad užtikrintumėte aukštą pasiekiamumą. Jei vienas apkrovos balansavimo įrenginys sugenda, kitas automatiškai perims jo funkcijas.
Išbandykite savo konfigūraciją: Kruopščiai išbandykite savo apkrovos balansavimo konfigūraciją prieš diegdami ją į produkcinę aplinką. Naudokite apkrovos testavimo įrankius, kad imituotumėte realius srauto modelius ir nustatytumėte galimas kliūtis.
Automatizuokite diegimą ir konfigūravimą: Naudokite automatizavimo įrankius savo apkrovos balansavimo įrenginių diegimui ir konfigūravimui. Tai gali padėti sumažinti klaidų skaičių ir pagerinti efektyvumą. Konfigūracijos valdymo įrankiai, tokie kaip Ansible, Chef ir Puppet, gali būti naudojami konfigūravimo procesui automatizuoti.

Pavyzdžiai iš realaus pasaulio

Štai keletas realių pavyzdžių, kaip apkrovos balansavimas naudojamas įvairiose pramonės šakose:

Elektroninė prekyba: Elektroninės prekybos svetainės naudoja apkrovos balansavimą srautui paskirstyti tarp kelių serverių, užtikrinant, kad svetainė išliktų pasiekiama ir greitai reaguotų piko apsipirkimo sezonais, pavyzdžiui, per Juodąjį penktadienį ir Kibernetinį pirmadienį. Mažmenininkai, tokie kaip „Amazon“ ir „Alibaba“, labai priklauso nuo apkrovos balansavimo, kad susidorotų su didžiuliais srauto antplūdžiais.
Internetiniai žaidimai: Internetinių žaidimų kompanijos naudoja apkrovos balansavimą srautui paskirstyti tarp kelių žaidimų serverių, užtikrinant, kad žaidėjai turėtų sklandžią ir be vėlavimų žaidimo patirtį. Žaidimai, tokie kaip „Fortnite“ ir „League of Legends“, naudoja sudėtingus apkrovos balansavimo metodus, kad aptarnautų milijonus vienu metu žaidžiančių žaidėjų visame pasaulyje.
Finansinės paslaugos: Finansų institucijos naudoja apkrovos balansavimą, kad užtikrintų savo internetinės bankininkystės platformų pasiekiamumą ir saugumą. Bankai turi garantuoti veikimo laiką ir apsisaugoti nuo DDoS atakų.
Medijos transliavimas: Medijos transliavimo paslaugos naudoja apkrovos balansavimą vaizdo turiniui paskirstyti tarp kelių serverių, užtikrinant, kad vartotojai galėtų transliuoti vaizdo įrašus be buferizavimo ar pertrūkių. „Netflix“, „YouTube“ ir „Spotify“ naudoja apkrovos balansavimą, kad pateiktų savo turinį milijonams vartotojų visame pasaulyje.
Sveikatos apsauga: Sveikatos priežiūros paslaugų teikėjai naudoja apkrovos balansavimą, kad užtikrintų savo elektroninių sveikatos įrašų (EHR) sistemų pasiekiamumą. Gydytojai ir slaugytojai turi greitai ir patikimai pasiekti pacientų informaciją.

Globalus serverių apkrovos balansavimas (GSLB) išsamiau

Globalus serverių apkrovos balansavimas (GSLB) yra specializuota apkrovos balansavimo forma, kuri paskirsto srautą tarp kelių geografiškai išsklaidytų duomenų centrų ar debesijos regionų. Tai itin svarbu programoms, kurios turi būti labai pasiekiamos ir našios vartotojams visame pasaulyje.

GSLB privalumai

Atkūrimas po avarijos: GSLB suteikia atsparumą duomenų centro gedimams. Jei vienas duomenų centras sugenda, srautas automatiškai nukreipiamas į kitą, užtikrinant verslo tęstinumą.
Pagerintas našumas: GSLB nukreipia vartotojus į artimiausią galimą serverio vietą, sumažindamas uždelsą ir pagerindamas atsako laiką. Tai ypač svarbu programoms su globalia vartotojų baze.
Sumažinta uždelsa: Pateikiant turinį iš geografiškai artimesnių serverių, GSLB sumažina laiką, kurio reikia duomenims nukeliauti tarp serverio ir vartotojo.
Atitiktis ir duomenų suverenitetas: GSLB gali būti sukonfigūruotas taip, kad nukreiptų srautą į serverius konkrečiuose geografiniuose regionuose, padedant organizacijoms laikytis duomenų suvereniteto taisyklių. Pavyzdžiui, Europos vartotojai gali būti nukreipiami į serverius, esančius Europos Sąjungoje.
Pajėgumų valdymas: GSLB gali paskirstyti srautą tarp kelių duomenų centrų atsižvelgiant į jų pajėgumą, užtikrinant, kad nė vienas duomenų centras nebūtų perkrautas.

GSLB diegimo aspektai

DNS valdymas: GSLB labai priklauso nuo DNS, kad nukreiptų srautą į tinkamas serverių vietas. Tinkama DNS konfigūracija yra labai svarbi jo efektyvumui.
Būsenos stebėjimas: Patikimas būsenos stebėjimas yra būtinas norint aptikti duomenų centrų gedimus ir serverių sutrikimus. GSLB sistemos turi sugebėti greitai nustatyti šiuos įvykius ir į juos reaguoti.
Sinchronizavimas: Duomenys turi būti sinchronizuojami visuose duomenų centruose, kad būtų užtikrintas nuoseklumas. Tai galima pasiekti įvairiais duomenų replikacijos metodais.
Kaina: GSLB gali būti brangesnis nei tradicinis apkrovos balansavimas dėl papildomo sudėtingumo ir infrastruktūros reikalavimų.

GSLB maršrutizavimo metodai

GeoDNS: GeoDNS naudoja kliento IP adresą, kad nustatytų jo geografinę vietą ir nukreiptų jį į artimiausią duomenų centrą.
Uždelsa paremtas maršrutizavimas: Šis metodas matuoja uždelsą tarp kliento ir kiekvieno duomenų centro ir nukreipia klientą į duomenų centrą su mažiausia uždelsa.
Svertinis maršrutizavimas: Svertinis maršrutizavimas leidžia priskirti skirtingus svorius kiekvienam duomenų centrui, kontroliuojant srauto paskirstymą.
Avarinio perjungimo maršrutizavimas: Šis metodas automatiškai nukreipia srautą į atsarginį duomenų centrą, jei pagrindinis duomenų centras sugenda.

Apkrovos balansavimas debesijoje

Debesijos paslaugų teikėjai siūlo patikimas apkrovos balansavimo paslaugas, kurias lengva diegti ir valdyti. Šios paslaugos paprastai yra labai gerai keičiamo mastelio ir ekonomiškos.

AWS „Elastic Load Balancing“ (ELB)

AWS ELB siūlo kelis apkrovos balansavimo įrenginių tipus:

Programų apkrovos balansavimo įrenginys (ALB): ALB skirtas HTTP ir HTTPS srautui ir teikia pažangias maršrutizavimo galimybes, tokias kaip turiniu ir prieglobos vardu paremtas maršrutizavimas.
Tinklo apkrovos balansavimo įrenginys (NLB): NLB skirtas TCP ir UDP srautui ir užtikrina aukštą našumą bei mažą uždelsą.
Klasikinis apkrovos balansavimo įrenginys (CLB): CLB yra senesnės kartos AWS apkrovos balansavimo įrenginys, kurį keičia ALB ir NLB.

„Azure Load Balancer“

„Azure Load Balancer“ siūlo tiek vidines, tiek išorines apkrovos balansavimo galimybes. Jis palaiko įvairius apkrovos balansavimo algoritmus ir būsenos patikros parinktis.

„Google Cloud Load Balancing“

„Google Cloud Load Balancing“ siūlo kelis apkrovos balansavimo įrenginių tipus, įskaitant:

HTTP(S) apkrovos balansavimas: HTTP(S) apkrovos balansavimas skirtas HTTP ir HTTPS srautui ir teikia globalias apkrovos balansavimo galimybes.
TCP apkrovos balansavimas: TCP apkrovos balansavimas skirtas TCP srautui ir teikia regionines apkrovos balansavimo galimybes.
UDP apkrovos balansavimas: UDP apkrovos balansavimas skirtas UDP srautui ir teikia regionines apkrovos balansavimo galimybes.

Išvada

Apkrovos balansavimas yra esminis metodas, užtikrinantis šiuolaikinių programų našumą, pasiekiamumą ir mastelio keitimo galimybes. Tolygiai paskirstydamas srautą tarp kelių serverių, apkrovos balansavimas apsaugo bet kurį atskirą serverį nuo perkrovos ir užtikrina, kad vartotojai turėtų sklandžią ir greitai reaguojančią patirtį. Nesvarbu, ar valdote mažą svetainę, ar didelio masto įmonės programą, apkrovos balansavimas yra kritiškai svarbus jūsų infrastruktūros komponentas. Suprasti skirtingus apkrovos balansavimo įrenginių tipus, algoritmus ir geriausias praktikas yra būtina norint įdiegti efektyvų apkrovos balansavimo sprendimą, atitinkantį jūsų konkrečius poreikius.

Programoms tampant vis globalesnėms, Globalus serverių apkrovos balansavimas (GSLB) tampa dar svarbesnis. Paskirstydamas srautą tarp kelių geografiškai išsklaidytų duomenų centrų, GSLB užtikrina, kad vartotojai visame pasaulyje turėtų greitą ir patikimą patirtį, net ir susidūrus su duomenų centrų gedimais ar tinklo sutrikimais. Apkrovos balansavimo, įskaitant GSLB, kai tai tikslinga, pritaikymas yra pagrindinis žingsnis kuriant atsparias ir aukšto našumo programas, skirtas globaliai auditorijai.