Uravnavanje obremenitev: Obvladovanje porazdelitve prometa za globalne aplikacije

V današnjem medsebojno povezanem svetu morajo aplikacije obvladovati nenehno naraščajoč obseg prometa, hkrati pa ohranjati optimalno delovanje in razpoložljivost. Uravnavanje obremenitev je ključna tehnika za učinkovito porazdelitev tega prometa med več strežnikov, s čimer se prepreči preobremenitev katerega koli posameznega strežnika. Ta članek ponuja celovit pregled uravnavanja obremenitev, njegovih prednosti, različnih algoritmov in najboljših praks za njegovo implementacijo v globalnih aplikacijah.

Kaj je uravnavanje obremenitev?

Uravnavanje obremenitev je postopek enakomerne porazdelitve omrežnega prometa med skupino strežnikov. Namesto pošiljanja vseh dohodnih zahtev na en sam strežnik, uravnalnik obremenitev porazdeli zahteve med več strežnikov, kar zagotavlja, da noben posamezen strežnik ni preobremenjen. To izboljša delovanje, razpoložljivost in skalabilnost aplikacije.

Predstavljajte si prometno restavracijo (vaša aplikacija) z le enim natakarjem (strežnik). V času največje gneče bi stranke doživele dolge čakalne dobe in slabo postrežbo. Sedaj si predstavljajte restavracijo z več natakarji (strežniki) in gostiteljem (uravnalnik obremenitev), ki usmerja stranke k prostim natakarjem. V bistvu tako deluje uravnavanje obremenitev.

Zakaj je uravnavanje obremenitev pomembno?

Uravnavanje obremenitev ponuja številne prednosti, med drugim:

• Izboljšano delovanje: Z porazdelitvijo prometa med več strežnikov uravnavanje obremenitev zmanjša obremenitev posameznih strežnikov, kar vodi do hitrejših odzivnih časov in izboljšanega delovanja aplikacije.
• Povečana razpoložljivost: Če en strežnik odpove, uravnalnik obremenitev samodejno preusmeri promet na preostale delujoče strežnike, s čimer zagotovi, da aplikacija ostane na voljo uporabnikom. To je ključnega pomena za kritične aplikacije, kjer ima lahko nedelovanje pomembne posledice.
• Izboljšana skalabilnost: Uravnavanje obremenitev olajša skaliranje vaše aplikacije z dodajanjem več strežnikov v skupino. Uravnalnik obremenitev samodejno zazna nove strežnike in začne porazdeljevati promet nanje, kar vam omogoča obvladovanje naraščajočega obsega prometa brez motenj v storitvi.
• Zmanjšan čas nedelovanja: Načrtovano vzdrževanje ali nadgradnje se lahko izvajajo na posameznih strežnikih, ne da bi to vplivalo na razpoložljivost aplikacije. Uravnalnik obremenitev med vzdrževanjem preprosto preusmeri promet na preostale strežnike.
• Optimizirana uporaba virov: Uravnavanje obremenitev zagotavlja, da so vsi strežniki v skupini učinkovito izkoriščeni, kar preprečuje, da bi bili nekateri strežniki preobremenjeni, medtem ko drugi mirujejo.

Vrste uravnalnikov obremenitev

Uravnalnike obremenitev lahko razdelimo na več vrst, glede na njihovo funkcionalnost in namestitev:

Strojni uravnalniki obremenitev

Strojni uravnalniki obremenitev so namenske fizične naprave, ki so posebej zasnovane za uravnavanje obremenitev. Ponujajo visoko zmogljivost in zanesljivost, vendar so lahko dragi in zahtevajo specializirano znanje za upravljanje. Primeri vključujejo naprave podjetij F5 Networks (zdaj del Keysight Technologies) in Citrix.

Programski uravnalniki obremenitev

Programski uravnalniki obremenitev so aplikacije, ki se izvajajo na standardnih strežnikih. So bolj prilagodljivi in cenovno ugodnejši od strojnih uravnalnikov obremenitev, vendar morda ne ponujajo enake ravni zmogljivosti. Priljubljeni programski uravnalniki obremenitev vključujejo HAProxy, Nginx in Apache.

Oblačni uravnalniki obremenitev

Oblačne uravnalnike obremenitev ponujajo kot storitev ponudniki oblakov, kot so Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure in Google Cloud Platform (GCP). So visoko skalabilni in enostavni za upravljanje, zaradi česar so priljubljena izbira za aplikacije v oblaku. AWS ponuja Elastic Load Balancing (ELB), Azure ponuja Azure Load Balancer, GCP pa Cloud Load Balancing.

Globalni strežniški uravnalniki obremenitev (GSLB)

GSLB porazdeljuje promet med več geografsko razpršenih podatkovnih centrov. To izboljša razpoložljivost in delovanje aplikacij za uporabnike po vsem svetu. Če en podatkovni center odpove, GSLB samodejno preusmeri promet na preostale delujoče podatkovne centre. GSLB pomaga tudi zmanjšati latenco z usmerjanjem uporabnikov v najbližji podatkovni center. Primeri vključujejo rešitve podjetij Akamai in Cloudflare. Mnogi ponudniki oblakov, kot sta AWS in Azure, prav tako ponujajo storitve GSLB.

Algoritmi za uravnavanje obremenitev

Algoritmi za uravnavanje obremenitev določajo, kako se promet porazdeli med strežnike v skupini. Obstaja več različnih algoritmov, vsak s svojimi prednostmi in slabostmi.

Krožni sistem (Round Robin)

Krožni sistem (Round Robin) porazdeljuje promet na vsak strežnik v skupini v zaporednem vrstnem redu. To je najpreprostejši algoritem za uravnavanje obremenitev in ga je enostavno implementirati. Vendar pa ne upošteva trenutne obremenitve vsakega strežnika, zato morda ni najučinkovitejši algoritem v vseh primerih. Na primer, če strežnik A obdeluje računsko intenzivne naloge, mu bo krožni sistem še vedno poslal enako količino prometa kot strežniku B, ki obdeluje manj zahtevne naloge.

Utežen krožni sistem (Weighted Round Robin)

Utežen krožni sistem je različica krožnega sistema, ki omogoča dodelitev različnih uteži vsakemu strežniku. Strežniki z višjimi utežmi prejmejo več prometa kot strežniki z nižjimi utežmi. To omogoča upoštevanje zmogljivosti vsakega strežnika in ustrezno porazdelitev prometa. Na primer, strežniku z več RAM-a in procesorske moči se lahko dodeli višja utež.

Najmanj povezav (Least Connections)

Algoritem najmanj povezav usmerja promet na strežnik z najmanjšim številom aktivnih povezav. Ta algoritem upošteva trenutno obremenitev vsakega strežnika in ustrezno porazdeli promet. Na splošno je učinkovitejši od krožnega sistema, zlasti kadar strežniki obdelujejo zahteve različnega trajanja. Vendar pa zahteva, da uravnalnik obremenitev spremlja število aktivnih povezav za vsak strežnik, kar lahko poveča dodatno obremenitev.

Najkrajši odzivni čas (Least Response Time)

Algoritem najkrajšega odzivnega časa usmerja promet na strežnik z najhitrejšim odzivnim časom. Ta algoritem upošteva tako trenutno obremenitev vsakega strežnika kot tudi hitrost, s katero obdeluje zahteve. Na splošno je to najučinkovitejši algoritem za uravnavanje obremenitev, vendar zahteva tudi, da uravnalnik obremenitev spremlja odzivni čas vsakega strežnika, kar lahko povzroči znatno dodatno obremenitev.

Zgoščevanje IP (IP Hash)

Zgoščevanje IP uporablja IP naslov odjemalca za določitev, kateremu strežniku naj pošlje zahtevo. To zagotavlja, da so vse zahteve istega odjemalca vedno poslane istemu strežniku. To je uporabno za aplikacije, ki se zanašajo na obstojnost seje, kjer mora biti odjemalec povezan z istim strežnikom ves čas trajanja seje. Vendar, če veliko odjemalcev izvira iz istega IP naslova (npr. za NAT prehodom), lahko ta algoritem povzroči neenakomerno porazdelitev prometa.

Zgoščevanje URL (URL Hash)

Zgoščevanje URL uporablja URL zahteve za določitev, kateremu strežniku naj pošlje zahtevo. To je lahko koristno za predpomnjenje statične vsebine, saj bodo vse zahteve za isti URL poslane istemu strežniku, kar strežniku omogoča predpomnjenje vsebine in hitrejšo postrežbo. Podobno kot pri zgoščevanju IP lahko to povzroči neenakomerno porazdelitev, če je majhen del URL-jev močno obiskan.

Usmerjanje na podlagi geolokacije

Usmerjanje na podlagi geolokacije usmerja promet na strežnik, ki je geografsko najbližji odjemalcu. To lahko izboljša delovanje aplikacije z zmanjšanjem latence. Na primer, uporabnik v Evropi bi bil usmerjen na strežnik v Evropi, medtem ko bi bil uporabnik v Aziji usmerjen na strežnik v Aziji. To je ključna komponenta rešitev GSLB.

Implementacija uravnavanja obremenitev

Implementacija uravnavanja obremenitev vključuje več korakov:

1. Izberite uravnalnik obremenitev: Izberite vrsto uravnalnika obremenitev, ki najbolje ustreza vašim potrebam, pri čemer upoštevajte dejavnike, kot so zmogljivost, stroški in enostavnost upravljanja.
2. Konfigurirajte uravnalnik obremenitev: Konfigurirajte uravnalnik obremenitev z ustreznimi nastavitvami, vključno z IP naslovi strežnikov v skupini, algoritmom za uravnavanje obremenitev in parametri za preverjanje stanja.
3. Konfigurirajte preverjanje stanja: Preverjanja stanja se uporabljajo za spremljanje stanja strežnikov v skupini. Uravnalnik obremenitev bo pošiljal promet samo strežnikom, ki veljajo za delujoče. Običajna preverjanja stanja vključujejo pošiljanje ukaza ping strežniku, preverjanje stanja določenih vrat ali pošiljanje zahteve na določen URL.
4. Nadzorujte uravnalnik obremenitev: Nadzorujte uravnalnik obremenitev, da zagotovite, da deluje pravilno in da se promet enakomerno porazdeljuje med strežnike v skupini. To lahko storite z orodji za spremljanje, ki jih ponuja prodajalec uravnalnika obremenitev, ali z uporabo rešitev za spremljanje tretjih oseb.

Najboljše prakse uravnavanja obremenitev

Za zagotovitev učinkovitosti vaše implementacije uravnavanja obremenitev upoštevajte te najboljše prakse:

• Uporabljajte preverjanja stanja: Implementirajte robustna preverjanja stanja, da zagotovite, da uravnalnik obremenitev pošilja promet samo delujočim strežnikom. Prilagodite preverjanja stanja, da natančno odražajo stanje vaše aplikacije.
• Nadzorujte delovanje: Nenehno spremljajte delovanje vašega uravnalnika obremenitev in strežnikov, da prepoznate morebitne težave in optimizirate delovanje. Uporabite metrike, kot so izkoriščenost procesorja, poraba pomnilnika in omrežni promet, za spremljanje stanja vašega sistema.
• Izberite pravi algoritem: Izberite algoritem za uravnavanje obremenitev, ki najbolje ustreza vašim potrebam. Upoštevajte značilnosti vaše aplikacije in pričakovane vzorce prometa.
• Zavarujte svoj uravnalnik obremenitev: Zaščitite svoj uravnalnik obremenitev pred varnostnimi grožnjami z implementacijo ustreznih varnostnih ukrepov, kot so požarni zidovi in sistemi za zaznavanje vdorov.
• Načrtujte skalabilnost: Načrtujte svojo implementacijo uravnavanja obremenitev tako, da bo skalabilna, da boste lahko enostavno dodajali več strežnikov v skupino, ko bo vaš promet naraščal.
• Previdno uporabljajte lepljive seje: Čeprav so lepljive seje (obstojnost seje) lahko uporabne, lahko vodijo tudi do neenakomerne porazdelitve prometa, če niso skrbno implementirane. Pred uporabo lepljivih sej razmislite o morebitnem vplivu na skalabilnost in razpoložljivost.
• Implementirajte redundanco: Uporabite več uravnalnikov obremenitev v redundantni konfiguraciji, da zagotovite visoko razpoložljivost. Če en uravnalnik obremenitev odpove, bo drugi samodejno prevzel njegovo vlogo.
• Testirajte svojo konfiguracijo: Temeljito testirajte svojo konfiguracijo uravnavanja obremenitev, preden jo uvedete v produkcijsko okolje. Uporabite orodja za testiranje obremenitve, da simulirate realistične vzorce prometa in prepoznate morebitna ozka grla.
• Avtomatizirajte uvajanje in konfiguracijo: Uporabite orodja za avtomatizacijo za uvajanje in konfiguriranje vaših uravnalnikov obremenitev. To lahko pomaga zmanjšati napake in izboljšati učinkovitost. Orodja za upravljanje konfiguracij, kot so Ansible, Chef in Puppet, se lahko uporabljajo za avtomatizacijo postopka konfiguracije.

Primeri iz resničnega sveta

Tukaj je nekaj primerov iz resničnega sveta, kako se uravnavanje obremenitev uporablja v različnih industrijah:

• E-trgovina: Spletne trgovine uporabljajo uravnavanje obremenitev za porazdelitev prometa med več strežnikov, s čimer zagotavljajo, da spletno mesto ostane na voljo in odzivno med vrhunci nakupovalnih sezon, kot sta črni petek in kibernetski ponedeljek. Trgovci, kot sta Amazon in Alibaba, se močno zanašajo na uravnavanje obremenitev za obvladovanje ogromnih porastov prometa.
• Spletno igranje iger: Podjetja za spletne igre uporabljajo uravnavanje obremenitev za porazdelitev prometa med več igralnih strežnikov, s čimer igralcem zagotavljajo gladko igralno izkušnjo brez zamikov. Igre, kot sta Fortnite in League of Legends, uporabljajo sofisticirane tehnike uravnavanja obremenitev za obvladovanje milijonov sočasnih igralcev po vsem svetu.
• Finančne storitve: Finančne ustanove uporabljajo uravnavanje obremenitev za zagotavljanje razpoložljivosti in varnosti svojih platform za spletno bančništvo. Banke morajo zagotoviti čas delovanja in se zaščititi pred napadi DDoS.
• Pretakanje medijev: Storitve za pretakanje medijev uporabljajo uravnavanje obremenitev za porazdelitev video vsebin med več strežnikov, s čimer zagotavljajo, da lahko uporabniki pretakajo videoposnetke brez medpomnjenja ali prekinitev. Netflix, YouTube in Spotify vsi uporabljajo uravnavanje obremenitev za dostavo svojih vsebin milijonom uporabnikov po vsem svetu.
• Zdravstvo: Ponudniki zdravstvenih storitev uporabljajo uravnavanje obremenitev za zagotavljanje razpoložljivosti svojih sistemov za elektronske zdravstvene zapise (EHR). Zdravniki in medicinske sestre morajo imeti hiter in zanesljiv dostop do podatkov o pacientih.

Podrobneje o globalnem strežniškem uravnavanju obremenitev (GSLB)

Globalno strežniško uravnavanje obremenitev (GSLB) je specializirana oblika uravnavanja obremenitev, ki porazdeljuje promet med več geografsko razpršenih podatkovnih centrov ali oblačnih regij. Ključnega pomena je za aplikacije, ki morajo biti visoko razpoložljive in zmogljive za uporabnike po vsem svetu.

Prednosti GSLB

• Odpravljanje posledic nesreč: GSLB zagotavlja odpornost proti izpadom podatkovnih centrov. Če en podatkovni center odpove, se promet samodejno preusmeri na drugega, kar zagotavlja neprekinjeno poslovanje.
• Izboljšano delovanje: GSLB usmerja uporabnike na najbližjo razpoložljivo lokacijo strežnika, s čimer zmanjša latenco in izboljša odzivne čase. To je še posebej pomembno za aplikacije z globalno bazo uporabnikov.
• Zmanjšana latenca: Z zagotavljanjem vsebine z geografsko bližjih strežnikov GSLB zmanjša čas, potreben za prenos podatkov med strežnikom in uporabnikom.
• Skladnost in suverenost podatkov: GSLB je mogoče konfigurirati za usmerjanje prometa na strežnike znotraj določenih geografskih regij, kar organizacijam pomaga pri izpolnjevanju predpisov o suverenosti podatkov. Na primer, evropski uporabniki so lahko usmerjeni na strežnike, ki se nahajajo znotraj Evropske unije.
• Upravljanje zmogljivosti: GSLB lahko porazdeli promet med več podatkovnih centrov glede na njihovo zmogljivost, s čimer zagotovi, da noben posamezen podatkovni center ni preobremenjen.

Premisleki pri implementaciji GSLB

• Upravljanje DNS: GSLB se močno zanaša na DNS za usmerjanje prometa na ustrezne lokacije strežnikov. Pravilna konfiguracija DNS je ključnega pomena za njegovo učinkovitost.
• Nadzor stanja: Robusten nadzor stanja je bistvenega pomena za odkrivanje izpadov podatkovnih centrov in napak strežnikov. Sistemi GSLB morajo biti sposobni hitro prepoznati in se odzvati na te dogodke.
• Sinhronizacija: Podatki morajo biti sinhronizirani med vsemi podatkovnimi centri, da se zagotovi doslednost. To je mogoče doseči z različnimi tehnikami replikacije podatkov.
• Stroški: GSLB je lahko dražji od tradicionalnega uravnavanja obremenitev zaradi dodatne zapletenosti in infrastrukturnih zahtev.

Metode usmerjanja GSLB

• GeoDNS: GeoDNS uporablja IP naslov odjemalca za določitev njegove geografske lokacije in ga usmeri na najbližji podatkovni center.
• Usmerjanje na podlagi latence: Usmerjanje na podlagi latence meri latenco med odjemalcem in vsakim podatkovnim centrom ter usmeri odjemalca v podatkovni center z najnižjo latenco.
• Uteženo usmerjanje: Uteženo usmerjanje omogoča dodelitev različnih uteži vsakemu podatkovnemu centru, kar nadzoruje porazdelitev prometa.
• Preklopno usmerjanje (Failover): Preklopno usmerjanje samodejno preusmeri promet na rezervni podatkovni center, če primarni podatkovni center odpove.

Uravnavanje obremenitev v oblaku

Ponudniki oblakov ponujajo robustne storitve uravnavanja obremenitev, ki jih je enostavno uvesti in upravljati. Te storitve so običajno visoko skalabilne in stroškovno učinkovite.

AWS Elastic Load Balancing (ELB)

AWS ELB ponuja več vrst uravnalnikov obremenitev:

• Application Load Balancer (ALB): ALB je zasnovan za promet HTTP in HTTPS ter ponuja napredne zmožnosti usmerjanja, kot sta usmerjanje na podlagi vsebine in usmerjanje na podlagi gostitelja.
• Network Load Balancer (NLB): NLB je zasnovan za promet TCP in UDP ter zagotavlja visoko zmogljivost in nizko latenco.
• Classic Load Balancer (CLB): CLB je starejša generacija uravnalnikov obremenitev AWS, ki jo nadomeščata ALB in NLB.

Azure Load Balancer

Azure Load Balancer ponuja tako notranje kot zunanje zmožnosti uravnavanja obremenitev. Podpira različne algoritme za uravnavanje obremenitev in možnosti preverjanja stanja.

Google Cloud Load Balancing

Google Cloud Load Balancing ponuja več vrst uravnalnikov obremenitev, med drugim:

• HTTP(S) Load Balancing: HTTP(S) Load Balancing je zasnovan za promet HTTP in HTTPS ter ponuja globalne zmožnosti uravnavanja obremenitev.
• TCP Load Balancing: TCP Load Balancing je zasnovan za promet TCP in ponuja regionalne zmožnosti uravnavanja obremenitev.
• UDP Load Balancing: UDP Load Balancing je zasnovan za promet UDP in ponuja regionalne zmožnosti uravnavanja obremenitev.

Zaključek

Uravnavanje obremenitev je bistvena tehnika za zagotavljanje delovanja, razpoložljivosti in skalabilnosti sodobnih aplikacij. Z enakomerno porazdelitvijo prometa med več strežnikov uravnavanje obremenitev preprečuje preobremenitev katerega koli posameznega strežnika in zagotavlja, da imajo uporabniki gladko in odzivno izkušnjo. Ne glede na to, ali upravljate majhno spletno stran ali obsežno podjetniško aplikacijo, je uravnavanje obremenitev ključna komponenta vaše infrastrukture. Razumevanje različnih vrst uravnalnikov obremenitev, algoritmov in najboljših praks je bistvenega pomena za implementacijo učinkovite rešitve za uravnavanje obremenitev, ki ustreza vašim specifičnim potrebam.

Ker aplikacije postajajo vse bolj globalne, postaja globalno strežniško uravnavanje obremenitev (GSLB) še toliko bolj pomembno. Z porazdelitvijo prometa med več geografsko razpršenih podatkovnih centrov GSLB zagotavlja, da imajo uporabniki po vsem svetu hitro in zanesljivo izkušnjo, tudi ob izpadih podatkovnih centrov ali omrežnih motnjah. Sprejetje uravnavanja obremenitev, vključno z GSLB, kjer je to primerno, je ključni korak pri gradnji odpornih in visoko zmogljivih aplikacij za globalno občinstvo.