Как устроен балансировщик нагрузки

Балансировка сетевого трафика играет ключевую роль в обеспечении стабильности и отказоустойчивости распределенных систем с высоким уровнем нагрузки. Балансировщик нагрузки использует различные алгоритмы для оптимизации работы серверов, предотвращая их перегрузку, повышая скорость обработки запросов и защищая систему от сбоев. 

В этой статье мы рассмотрим принципы балансировки нагрузки и методы масштабирования серверов, а также разберем ключевые преимущества облачных балансировщиков.

Что такое балансировка сетевой нагрузки

Балансировка сетевой нагрузки – это процесс распределения трафика и операций между различными компонентами сетевой инфраструктуры для поддержания ее стабильной работы.

Первым шагом в этом процессе может стать распределение компонентов системы между серверами, например:

• frontend (клиентская часть приложения);
• backend (серверная часть приложения);
• сервера базы данных.

Далее может потребоваться горизонтальное масштабирование, при котором в инфраструктуру добавляются новые серверы для выполнения одной и той же задачи. Этот метод применяет специальный алгоритм балансировки в рамках используемых сетевых протоколов. Он позволяет гибко реагировать на увеличение уровня нагрузки и обеспечивать равномерное распределение вычислительных ресурсов.

На этом шаге критически важно внедрить балансировщик нагрузки, который будет равномерно распределять входящие запросы между серверами. Без продуманного алгоритма балансировки нагрузка может распределяться неэффективно, что приведет к снижению производительности системы.

Для чего нужен балансировщик нагрузки

Балансировщик нагрузки использует интеллектуальный алгоритм, чтобы предотвратить перегрузку серверов и обеспечить стабильную передачу данных между компонентами кластера по оптимальным сетевым протоколам. 

Он выполняет несколько критически важных функций:

• Обеспечение отказоустойчивости. Главная роль балансировщика – минимизация точек отказа и обеспечение бесперебойной работы системы. Если один из серверов выходит из строя, трафик перераспределяется на работающие узлы.
• Равномерное распределение сетевых ресурсов. Балансировщик использует специальный алгоритм, который помогает равномерно распределять нагрузку между серверами, предотвращая перегрузку отдельных узлов.
• Масштабирование инфраструктуры. При добавлении новых серверов в кластер балансировщик автоматически включает их в схему маршрутизации. Тем самым он обеспечивает плавное горизонтальное масштабирование без необходимости вручную перенастраивать систему.
• Защита от DDoS-атак. Балансировщик может фильтровать и анализировать сетевой трафик, задерживая обработку подозрительных запросов до подтверждения соединения по протоколу TCP. Это помогает снизить риск перегрузки системы во время распределенных атак.

В некоторых случаях сам балансировщик также может становиться слабым местом по разным причинам:

• Проблема в системе балансировки – если балансировщик перегружается или выходит из строя, это может повлиять на работу всей инфраструктуры. Поэтому предприятия часто внедряют несколько балансировщиков с резервированием.

• Серверы и виртуальные машины – если физический сервер или виртуальная машина выходит из строя, это может привести к потере работоспособности отдельных сервисов. Для предотвращения подобных ситуаций применяют механизмы резервирования серверов.

Балансировщики помогают минимизировать влияние сбоев: если один дата-центр выходит из строя, другие узлы продолжают работу, обеспечивая стабильность системы.

Уровни балансировки в модели OSI

Балансировщик сетевой инфраструктуры использует модель OSI, которая помогает стандартизировать сетевые процессы, обеспечивая совместимость между разными устройствами и протоколами.

Эта модель состоит из семи уровней: 

1. Физический уровень (L1). Отвечает за передачу сигналов между различными устройствами. На этом этапе данные передаются в виде электрических или оптических сигналов, которые представлены в битах.

2. Канальный уровень (L2). Выполняет физическую переадресацию данных. На этом уровне биты группируются в кадры, которые затем передаются между отправителями и получателями.

3. Сетевой уровень (L3). Обеспечивает маршрутизацию данных с логической адресацией. Кадры объединяются в пакеты, которые передаются через сеть. На этом этапе происходит анализ возможных сетевых сбоев и выбор оптимальных маршрутов передачи данных. Основная нагрузка на этом уровне ложится на маршрутизаторы.

4. Транспортный уровень (L4). Обеспечивает связь между конечными пользователями и контролирует целостность передачи данных. Балансировщики, которые работают на L4, управляют сетевыми соединениями, анализируя данные о портах и протоколах. В зависимости от типа протокола пакеты могут быть обработаны по двум основным принципам:

• сегментация – если размер пакета превышает допустимую пропускную способность, он делится на несколько частей (сегментов);

• датаграммы – пакеты обрабатываются как автономные единицы, каждая из которых содержит заголовок и адрес получателя, что позволяет передавать их независимо друг от друга.

5. Сеансовый уровень (L5). Отвечает за установку, управление и завершение сеансов связи. В его задачи входит поддержка соединений во время неактивности и восстановление сеанса при сбоях.

6. Уровень представления (L6). Выполняет шифрование, сжатие и преобразование данных в унифицированный формат, удобный для передачи между различными системами.

7. Прикладной уровень (L7). Определяет логику взаимодействия пользователей с сетью. Балансировщики на этом уровне управляют трафиком на основе сетевых протоколов, содержимого запросов, HTTP-заголовков и cookie-файлов, что способствует стабильной работе веб-приложений.

Балансировщики нагрузки работают в основном на 4-м и 7-м уровнях, где широко используются TCP-соединения. Такой подход позволяет сокращать время отклика системы, эффективно распределять трафик, повышать отказоустойчивость инфраструктуры и обеспечивать совместимость с различными сетевыми протоколами.

Методы балансировки

В работе балансировщика нагрузки могут быть использованы разные методы и алгоритмы, которые помогают оптимизировать распределение трафика и повысить отказоустойчивость системы. 

Среди наиболее популярных можно выделить следующие:

1. Оценка доступности – балансировщик постоянно проверяет работоспособность серверов и исключает из маршрутизации узлы, которые перестали отвечать или работают с высокой задержкой.
2. Управление конфигурацией соединений – это метод, при котором балансировщик нагрузки принимает входящие запросы от пользователей, анализирует их и перенаправляет на наиболее подходящий сервер. Он контролирует количество одновременных подключений, задает тайм-ауты для сеансов и управляет распределением TCP-трафика.
3. Балансировка на основе производительности – в этом методе балансировщик анализирует загруженность серверов и выбирает оптимальные маршруты с учетом используемых протоколов.
4. Географическая балансировка – запросы пользователей направляются на один из ближайших к ним дата-центр для минимизации задержек.
5. Балансировка по времени отклика – TCP-запросы перенаправляются на сервер, который отвечает быстрее всех.
6. Балансировка по числу активных подключений – трафик направляется на один из серверов серверов, у которого меньше всего текущих соединений.
7. Балансировка по фиксированным маршрутам – маршрутизация TCP-запросов осуществляется по заранее заданным правилам, что подходит для стабильных систем, где уровень нагрузки предсказуем.
8. Балансировка по алгоритму хеширования  – запросы направляются на серверы на основе хеш-функции. Например, по IP-адресу клиента или по идентификатору сессии.
9. Балансировка через BGP Anycast – этот метод позволяет использовать один IP-адрес для нескольких дата-центров, а маршрутизаторы направляют трафик на ближайший доступный сервер.

Разные настройки балансировщика и протоколов можно комбинировать, чтобы создать отказоустойчивую и эффективную инфраструктуру.

Алгоритмы балансировки

Для работы балансировщиков нагрузки нужны специальные алгоритмы, которые распределяют входящие запросы между серверами. От них зависит производительность системы, стабильность работы и эффективность использования ресурсов. 

Методология распределения запросов

Взаимодействие серверов внутри кластера осуществляется с помощью специализированных алгоритмов. Они обрабатывают TCP-соединения и управляют маршрутизацией входящих запросов.

Эти механизмы играют ключевую роль в оптимизации работы инфраструктуры и позволяют достичь следующих целей:

• эффективное использование ресурсов;
• увеличение пропускной способности;
• сокращение времени отклика;
• предотвращение перегрузки серверов.

В зависимости от архитектуры системы, доступных ресурсов и типов запросов балансировщик может использовать различные стратегии, каждая из которых имеет хотя бы одно свое преимущество и ограничение.

BGP Anycast

BGP Anycast – это метод маршрутизации, который позволяет нескольким серверам использовать единый IP-адрес. Когда пользователь отправляет запрос, балансировщик направляет его на один из ближайших или наименее загруженный узел. Это значительно снижает задержки, повышает производительность системы и гибкость инфраструктуры.

Круговой метод распределения (Round Robin)

Round Robin – это один из самых простых алгоритмов работы балансировщика нагрузки. 

Он распределяет запросы между серверами в циклическом порядке:

1. Первый запрос отправляется на первый сервер в списке.
2. Второй запрос отправляется на второй сервер и так далее.
3. Когда очередь доходит до последнего сервера, следующий запрос снова направляется на первый сервер, и процесс повторяется.

Особенности и преимущества:

• простота реализации;
• равномерное распределение нагрузки;
• гибкость – возможно использование взвешенного Round Robin, где сервера получают разное количество запросов в зависимости от их мощности.

Ограничения метода:

• не учитывает текущую загрузку серверов;
• может быть неэффективен при долгих запросах.

Round Robin часто используется в веб-хостингах и облачных системах, где уровень нагрузка на серверы относительно равномерна и важно правильно распределять запросы.

Least Connections (Минимум подключений)

Least Connections – это алгоритм работы балансировщика нагрузки, который направляет запросы на сервер с минимальным уровнем нагрузки. Такой подход позволяет равномерно распределять трафик, избегая перегрузки отдельных узлов системы.

Least Connections по такому принципу:

1. Балансировщик анализирует текущее количество активных соединений на каждом сервере.
2. TCP-запрос отправляется на наименее загруженный сервер.

Это особенно полезно в системах с неоднородными уровнями нагрузками, где время обработки запросов варьируется.

Преимущества метода:

• эффективное распределение нагрузки;
• идеально подходит для «долгоживущих» соединений (например, веб-приложений или базы данных), где время обработки запросов непредсказуемо;
• автоматическая адаптация к текущему уровню нагрузки.

В системах с несколькими frontend-серверами пользователи могут столкнуться с повторной аутентификацией:

1. Первый сервер, который обработал запрос, становится основным для пользователя.
2. Если нагрузка перераспределяется, последующие запросы могут попасть на другой сервер.
3. Новый сервер не знает о предыдущей аутентификации, и пользователь вынужден снова вводить данные.

Чтобы устранить проблему повторной аутентификации, балансировщик использует механизм Sticky Sessions. Он привязывает пользователя к определенному серверу, обеспечивая сохранение сессии и стабильность соединения. Пока сервер остается доступным, все запросы от пользователя направляются именно на него.

Балансировка нагрузки и проксирование

Термины «балансировщик нагрузки» и «прокси» часто используются взаимозаменяемо, так как их функции могут пересекаться. Отказоустойчивые балансировщики нагрузки могут работать в качестве обратных прокси-серверов, распределяя запросы между сервисами, развернутыми в разных географических зонах.

Обратный прокси принимает входящие TCP-запросы от клиентов, передает их наиболее подходящему серверу и возвращает обработанный ответ, используя безопасные протоколы. Его применение оправдано даже при наличии единственного сервера, так как он может выполнять дополнительные функции, такие как кеширование и защита от DDoS-атак.

Балансировщики нагрузки, в свою очередь, предназначены для распределения клиентских запросов между несколькими серверными узлами, предотвращая их перегрузку. Такой подход особенно актуален для высоконагруженных сервисов, где один сервер не справляется с потоком входящих запросов.

Преимущества облачного балансировщика

Облачные балансировщики имеют лучшие характеристики, чем аппаратные. Они повышают доступность инфраструктуры, уменьшают риски простоев и позволяют гибко масштабировать ресурсы в зависимости от уровня нагрузки.

Ключевые преимущества:

• Снижение простоев и повышение доступности – облачные балансировщики обеспечивают бесперебойную работу системы, распределяя трафик между доступными узлами и оперативно реагируя на сбои.
• Гибкое масштабирование – инфраструктура может легко расширяться при увеличении уровня нагрузки, что особенно важно для высоконагруженных сервисов.
• Мгновенное развертывание – настройка нового балансировщика занимает считанные минуты благодаря удобным интерфейсам управления.
• Высокая отказоустойчивость – облачные балансировщики не зависят от физического оборудования, могут адаптироваться к изменениям уровня нагрузки и динамически перераспределять трафик.
• Экономическая эффективность – работает по модели pay-as-you-go, что означает оплату только один раз за использованные ресурсы. Это особенно выгодно для бизнеса с сезонными пиками трафика, так как можно оперативно включать и отключать мощности.

DevOps-инженеры могут использовать для этого Terraform – инструмент управления инфраструктурой как кодом (IaC). Он позволяет автоматически развертывать и настраивать облачные ресурсы, централизованно управлять балансировщиками нагрузки, ускорить процесс настройки протоколов и обеспечить масштабируемость облачной инфраструктуры.

Заключение

Балансировка нагрузки играет ключевую роль в построении отказоустойчивых и масштабируемых IT-инфраструктур. Благодаря эффективному распределению трафика, балансировщики обеспечивают стабильность работы сервисов, уменьшают время отклика и предотвращают перегрузку отдельных узлов. Облачные балансировщики обеспечивают более простую настройку с высоким масштабированием, экономичностью.

Выбор метода работы балансировщика зависит от характера нагрузки, требований к отказоустойчивости и особенностей архитектуры. При грамотном использовании он повышает уровень безопасности, производительности и доступности  системы.