Πώς να κατανέμετε τα φορτία εργασίας του διακομιστή με έναν εξισορροπητή φορτίου

Η χρήση της εξισορρόπησης φορτίου επιτρέπει την ομοιόμορφη κατανομή της πρόσβασης στον διακομιστή σε διάφορους πόρους υλικού μέσω μιας τεχνικής λειτουργίας που ονομάζεται «εξισορροπητής φορτίου». Αυτό εξασφαλίζει σταθερές ταχύτητες πρόσβασης, κάτι που είναι ζωτικής σημασίας για την προσέλκυση υποψήφιων πελατών και πελατών.

Τι είναι η κατανομή φορτίου;

Η κατανομή φορτίου είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στον τομέα της τεχνολογίας διακομιστών και περιγράφει μια μέθοδο κατά την οποία τα αιτήματα κατανέμονται μεταξύ διαφορετικών διακομιστών στο παρασκήνιο, χωρίς να το αντιλαμβάνονται οι χρήστες. Ο μηχανισμός κατανομής φορτίου που χρησιμοποιείται για τον σκοπό αυτό μπορεί να υλοποιηθεί ως υλικό ή λογισμικό. Αναθέτει πολλούς διακομιστές σε έναν τομέα χωρίς να προκαλεί συγκρούσεις διευθύνσεων, ενώ η πρόσβαση σε αυτόν γίνεται μέσω του δημόσιου τομέα.

Οι δευτερεύοντες διακομιστές ιστού ονομάζονται με τις προσθήκες www1, www2, www3 κ.ο.κ. στο όνομα τομέα. Αυτό επιτρέπει στον μηχανισμό εξισορρόπησης φορτίου να καθιστά έναν ιστότοπο διαθέσιμο στην ίδια διεύθυνση URL, παρόλο που πίσω από αυτόν βρίσκονται πολλοί διακομιστές. Έτσι αποτρέπεται η υπερφόρτωση των διακομιστών, καθώς τα εξωτερικά αιτήματα κατανέμονται σε διάφορους φυσικούς υπολογιστές εντός του συμπλέγματος. Οι χρήστες συνήθως δεν το αντιλαμβάνονται, καθώς η κατανομή των αιτημάτων πραγματοποιείται με βάση πολύπλοκους αλγόριθμους στο παρασκήνιο.

Η εξισορρόπηση φορτίου μπορεί επίσης να διαδραματίσει ρόλο πέρα από τους διακομιστές ιστού, όπως για παράδειγμα σε υπολογιστές που λειτουργούν με πολλαπλούς επεξεργαστές. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο εξισορροπητής φορτίου διασφαλίζει ότι οι απαιτήσεις κατανέμονται ομοιόμορφα στους διάφορους επεξεργαστές, ώστε να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύς. Οι εξισορροπητές φορτίου είναι επίσης απαραίτητοι κατά τη χρήση λογισμικού κοντέινερ όπως το Kubernetes. Σε αυτή την περίπτωση, διασφαλίζουν την αποτελεσματική κατανομή των φόρτων εργασίας μεταξύ των διαφόρων pods.

Πώς λειτουργεί η κατανομή φορτίου;

Τα αιτήματα προς έναν διακομιστή ιστού, π.χ. υπό τη μορφή προβολών σελίδων, εκτελούνται αρχικά στον εξισορροπητή φορτίου. Στη συνέχεια, ο εξισορροπητής φορτίου αναλαμβάνει την κατανομή του φορτίου, προωθώντας τις προσπάθειες πρόσβασης σε διαφορετικούς διακομιστές. Ο ίδιος ο εξισορροπητής φορτίου μπορεί να υλοποιηθεί ως υλικό ή λογισμικό, αλλά η αρχή παραμένει η ίδια: ένα αίτημα φτάνει στον εξισορροπητή φορτίου και, ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται, η συσκευή ή το λογισμικό προωθεί τα δεδομένα στον αντίστοιχο διακομιστή.

Η τεχνική βάση είναι η διαδικασία DNS: οι χρήστες έχουν πρόσβαση σε έναν ιστότοπο αποκλειστικά μέσω μιας διεύθυνσης URL. Αυτή μετατρέπεται σε διεύθυνση IP μέσω του DNS, η οποία στη συνέχεια κατευθύνεται προς τον εξισορροπητή φορτίου. Στην ιδανική περίπτωση, αυτή η διαδικασία περνά απαρατήρητη από τους χρήστες.

Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της ισορροπημένης κατανομής φορτίου;

Τα τρία βασικά πλεονεκτήματα ενός σωστά εγκατεστημένου διανομέα φορτίου είναι τα εξής:

• Βελτιστοποιημένοι χρόνοι πρόσβασης: Η κατανομή της κυκλοφορίας σε πολλούς διακομιστές μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερους χρόνους πρόσβασης, ακόμη και όταν υπάρχουν πολλές αιτήσεις ταυτόχρονα.
• Υψηλότερη ανεκτικότητα σε σφάλματα: Ένας εξισορροπητής φορτίου αυξάνει την ανεκτικότητα σε σφάλματα, καθώς η κυκλοφορία από έναν αργό διακομιστή ανακατευθύνεται αυτόματα σε άλλους διακομιστές του συμπλέγματος. Εάν ένας διακομιστής δεν είναι διαθέσιμος, ο φιλοξενούμενος ιστότοπος παραμένει προσβάσιμος.
• Απλοποιημένη συντήρηση του συστήματος: Η εξισορρόπηση φορτίου συμβάλλει σημαντικά στη συντήρηση ενός συστήματος διακομιστών. Οι ρυθμίσεις και οι ενημερώσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν ενώ οι διακομιστές λειτουργούν, χωρίς αισθητή απώλεια απόδοσης. Ο εξισορροπητής φορτίου ανιχνεύει τις καταστάσεις συντήρησης και ανακατευθύνει τα αιτήματα ανάλογα.

Ποιοι είναι οι διάφοροι τύποι εξισορρόπησης φορτίου;

Ο τρόπος κατανομής των εισερχόμενων αιτημάτων εξαρτάται από την επιλογή του αλγορίθμου. Οι πιο συνηθισμένοι αλγόριθμοι για την εξισορρόπηση φορτίου είναι οι εξής: Round Robin, Weighted Round Robin, Least Connections και Weighted Least Connections.

Round Robin

Η μέθοδος Round Robin περιγράφει μια διαδικασία κατά την οποία τα εισερχόμενα αιτήματα προς τον διακομιστή υποβάλλονται σε επεξεργασία σε μια ουρά από τον εξισορροπητή φορτίου και κατανέμονται σε μια σειρά διακομιστών. Κάθε νέο αίτημα ανατίθεται στον επόμενο διακομιστή της ακολουθίας. Ως αποτέλεσμα, τα αιτήματα πρόσβασης μπορούν να κατανεμηθούν ομοιόμορφα σε όλο το σύμπλεγμα εξισορρόπησης φορτίου. Ανεξάρτητα από το πόσο επείγον είναι το αίτημα ή πόσο σοβαρό είναι το φορτίο του διακομιστή, το Round Robin αντιμετωπίζει όλες τις διεργασίες με τον ίδιο τρόπο. Οι εξισορροπητές φορτίου που λειτουργούν με βάση την αρχή του round-robin είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι για περιβάλλοντα όπου όλες οι παρουσίες διαθέτουν περίπου τους ίδιους πόρους.

Σταθμισμένη μέθοδος Round Robin

Οι αδυναμίες του κλασικού αλγορίθμου round-robin σε ετερογενή σύμπλεγματα διακομιστών μπορούν να αντισταθμιστούν με μια κατανομή τύπου weighted round-robin. Τα εισερχόμενα αιτήματα κατανέμονται λαμβάνοντας υπόψη τη στατική στάθμιση κάθε διακομιστή. Η στάθμιση αυτή καθορίζεται εκ των προτέρων από τον διαχειριστή.

Στον πιο ισχυρό διακομιστή, για παράδειγμα, μπορεί να αποδοθεί η τιμή «100», ενώ στους λιγότερο αποδοτικούς διακομιστές αποδίδεται η τιμή «50». Σε μια τέτοια ρύθμιση, ο διακομιστής με συντελεστή βαρύτητας «100» θα λαμβάνει δύο αιτήματα ανά γύρο από τον εξισορροπητή φορτίου, ενώ ο διακομιστής με συντελεστή βαρύτητας «50» θα λαμβάνει μόνο ένα αίτημα. Η μέθοδος Weighted Round Robin θα πρέπει να χρησιμοποιείται κυρίως στην εξισορρόπηση φορτίου όταν οι διακομιστές του συμπλέγματος διαθέτουν διαφορετικούς πόρους.

Λιγότερες συνδέσεις

Και οι δύο αλγόριθμοι round-robin δεν λαμβάνουν υπόψη, κατά τη σειριακή κατανομή των αιτημάτων στους διακομιστές από τον εξισορροπητή φορτίου, τον αριθμό των συνδέσεων που πρέπει να διατηρούν οι υποκείμενοι διακομιστές σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στη συσσώρευση πολλών συνδέσεων σε έναν διακομιστή του συμπλέγματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον υπερφορτωμό του διακομιστή, ακόμη και αν διαχειρίζεται λιγότερες συνδέσεις από τους άλλους. Ο αλγόριθμος least-connections προστατεύει από αυτό. Διανέμει τα αιτήματα με βάση τις υπάρχουσες συνδέσεις κάθε διακομιστή— αυτός με τις λιγότερες ενεργές συνδέσεις λαμβάνει το επόμενο αίτημα από τον εξισορροπητή φορτίου. Αυτή η μέθοδος εξισορρόπησης φορτίου συνιστάται για ομοιογενή σύμπλεγματα διακομιστών όπου όλοι οι υπολογιστές διαθέτουν συγκρίσιμους πόρους.

Μέθοδος των ελαχίστων σταθμισμένων συνδέσεων

Εάν ένα σύμπλεγμα διακομιστών έχει διαφορετικές χωρητικότητες, αντί του αλγορίθμου «ελάχιστων συνδέσεων», θα πρέπει να χρησιμοποιείται εξισορρόπηση φορτίου με βάση τη σταθμισμένη κατανομή των υφιστάμενων συνδέσεων. Αυτή η μέθοδος λαμβάνει υπόψη τόσο τον αριθμό των ενεργών συνδέσεων που έχει ένας διακομιστής όσο και τη στάθμιση που έχει ορίσει ο διαχειριστής. Έτσι εξασφαλίζεται μια ισορροπημένη κατανομή φορτίου εντός του συμπλέγματος διακομιστών. Οι νέες αιτήσεις ανατίθενται αυτόματα από τον εξισορροπητή φορτίου στους διακομιστές των οποίων η αναλογία ενεργών συνδέσεων προς την αντίστοιχη στάθμιση διακομιστή υποδηλώνει το μικρότερο τρέχον φορτίο.

Ποια προβλήματα μπορεί να προκύψουν κατά τη χρήση της κατανομής φορτίου;

Ιδιαίτερα στον τομέα του ηλεκτρονικού εμπορίου, η εξισορρόπηση φορτίου αντιμετωπίζει συχνά προκλήσεις. Ας δούμε ένα παράδειγμα: οι επισκέπτες ενός ιστότοπου προσθέτουν στο καλάθι αγορών τους τα προϊόντα που επιθυμούν να αγοράσουν. Τα προϊόντα αυτά παραμένουν αποθηκευμένα για όλη τη διάρκεια της περιόδου σύνδεσης, ανεξάρτητα από τη σελίδα στην οποία μεταβαίνουν οι χρήστες εντός του ηλεκτρονικού καταστήματος. Ένας τυπικός μηχανισμός εξισορρόπησης φορτίου θα κατανέμει τα αιτήματα σε διαφορετικούς διακομιστές. Αυτό σημαίνει ότι το περιεχόμενο του καλαθιού θα χαθεί.

Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, υπάρχουν δύο πιθανές προσεγγίσεις. Πρώτον, ο διανομέας φορτίου μπορεί να ανταποκρίνεται στη διεύθυνση IP των χρηστών. Έτσι, για παράδειγμα, τα αιτήματα που προέρχονται από την ίδια διεύθυνση IP κατευθύνονται πάντα στον ίδιο διακομιστή. Μια άλλη μέθοδος θα ήταν η ανάγνωση ενός αναγνωριστικού συνεδρίας από το ίδιο το αίτημα, προκειμένου να προσδιοριστεί σε ποιον διακομιστή πρέπει να σταλεί το αίτημα.

Γιατί οι διανομείς φορτίου είναι τόσο σημαντικοί;

Αν κερδίζετε τα χρήματά σας μέσω του διαδικτύου, η επιχείρησή σας δεν μπορεί να αντέξει μια διακοπή λειτουργίας του διακομιστή. Και αν χρησιμοποιείτε μόνο έναν διακομιστή και αυτός καταρρεύσει λόγω υπερφόρτωσης, ο ιστότοπός σας δεν είναι πλέον προσβάσιμος σε πιθανούς πελάτες. Αυτό οδηγεί σε διάφορα προβλήματα: Καταρχάς, δεν μπορείτε να αποκομίσετε έσοδα κατά τη διάρκεια της υπερφόρτωσης. Δεν είναι δυνατή η κράτηση υπηρεσιών ούτε η πραγματοποίηση αγορών. Επιπλέον, μειώνεται η εμπιστοσύνη των (πιθανών) πελατών. Είναι διπλά κακό για τους χρήστες που αντιμετωπίζουν υπερφόρτωση του διακομιστή κατά τη διαδικασία παραγγελίας. Συχνά υπάρχει μεγάλη αβεβαιότητα και οι επηρεαζόμενοι δεν γνωρίζουν αν η παραγγελία έφτασε πράγματι και καταγράφηκε στο σύστημα.

Ακόμα κι αν δεν προσφέρετε υπηρεσίες απευθείας μέσω του διαδικτύου, ο ιστότοπός σας πρέπει να είναι πάντα προσβάσιμος. Ο ιστότοπος αποτελεί ένα από τα βασικά κανάλια πρόσβασης σε πληροφορίες. Εάν οι πιθανοί πελάτες αναζητήσουν πληροφορίες για την εταιρεία σας στο διαδίκτυο και δεν μπορούν να συνδεθούν στον ιστότοπό σας, είναι πιο πιθανό να στραφούν προς τον ανταγωνισμό. Μπορείτε να ελαχιστοποιήσετε αυτούς τους κινδύνους με τη χρήση ενός διανομέα φορτίου.

Πώς να εφαρμόσετε την εξισορρόπηση φορτίου στην επιχείρησή σας

Η κατανομή φορτίου μπορεί να υλοποιηθεί με τη χρήση λύσεων τόσο υλικού όσο και λογισμικού σε έναν εικονικό διακομιστή. Πολλοί πάροχοι προσφέρουν ολοκληρωμένα επαγγελματικά πακέτα, είτε ως Υποδομή ως Υπηρεσία (IaaS) είτε ως στοιχείο δικτύου για τη δική σας υποδομή πληροφορικής.

Δεδομένου ότι η απόκτηση ιδιόκτητων διανομέων φορτίου συνεπάγεται συνήθως υψηλό κόστος, οι μικρότερες εταιρείες στρέφονται συχνά σε λύσεις ανοιχτού κώδικα όπως το NGINX. Προσφέρει έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο για να εξασφαλίσετε υψηλή διαθεσιμότητα για τον ιστότοπο της εταιρείας σας ή άλλα διαδικτυακά έργα, μέσω της αποτελεσματικής κατανομής του φορτίου στο δίκτυο των διακομιστών. Στον τομέα της φιλοξενίας ιστοσελίδων, η κατανομή φορτίου προσφέρεται επίσης συχνά ως πρόσθετη λειτουργία για τους διακομιστές cloud.