Load balancing – czym jest równoważenie obciążenia? Dobre praktyki

Load balancing pomaga zapewnić ciągłość i wydajność serwisów internetowych. Jest to cicha siła stojąca za płynnym funkcjonowaniem aplikacji i stron internetowych, która umożliwia im obsługę tysięcy zapytań na sekundę bez utraty prędkości czy dostępności.

Z tego artykułu dowiesz się:

• Czym jest load balancing?
• Jak działa load balancing?
• Jakie narzędzia stosowane są w load balancingu?
• Jakie są dobre praktyki w load balancingu?
• Jaka jest rola load balancingu?

Load balancing – definicja

Load balancing, czyli równoważenie obciążenia, to proces wykorzystywany w technologii informacyjnej do rozdziału ruchu sieciowego i zadań między wieloma serwerami w klastrze. Jego głównym celem jest zapewnienie optymalnej wydajności i dostępności usług poprzez równomierne rozłożenie obciążenia pracy na dostępne zasoby. Dzięki temu nawet w przypadku awarii jednego z serwerów pozostałe mogą przejąć jego zadania.

Load balancing (inaczej równoważenie obciążenia) to proces dystrybucji ruchu sieciowego i zadań między wieloma serwerami, aby maksymalizować wydajność i zapewnić nieprzerwaną dostępność usług online.

Definicja load balancingu

Load balancing wyróżnia się m.in. zdolnością do dynamicznego reagowania na zmieniające się warunki sieci i obciążenie. Odpowiedzialne za to urządzenia lub oprogramowanie monitorują stan serwerów oraz ich wydajność, aby w czasie rzeczywistym dokonywać przekierowań ruchu na stronie. Dzięki temu można nie tylko zapobiegać przeciążeniom, lecz także optymalizować czas odpowiedzi i prędkość działania aplikacji dla użytkownika końcowego.

Równoważenie obciążenia umożliwia łatwe dodawanie nowych serwerów do klastra bez przerywania działania usług. Może to być realizowane na różnych poziomach – od warstwy sprzętowej, poprzez urządzenia sieciowe, takie jak fizyczne balance loadery, aż do warstwy aplikacji, gdzie oprogramowanie na serwerach decyduje o rozdziale zadań.

Działanie load balancingu

Load balancing można realizować na różne sposoby:

• Równoważenie obciążenia na poziomie DNS – w tej metodzie decyzje dotyczące dystrybucji ruchu podejmuje się na podstawie systemu nazw domen (DNS). Kiedy użytkownik próbuje uzyskać dostęp do strony internetowej, zapytanie DNS kieruje go nie do jednego, stałego adresu IP, lecz do jednego z wielu, dynamicznie wybranych na podstawie obciążenia, zdrowia serwerów czy też geograficznej lokalizacji użytkownika. Jest to prosty sposób na dystrybucję ruchu, ale nie bierze pod uwagę obciążenia w czasie rzeczywistym serwerów docelowych.
• Równoważenie obciążenia na poziomie transportowym, znane również jako równoważenie na poziomie 4 warstwy modelu OSI (TCP/UDP), polega na rozdzielaniu ruchu na podstawie informacji znajdujących się w nagłówkach sieciowych, takich jak adres IP źródłowy i docelowy oraz numer portu. Load balancery analizują informacje i na ich podstawie przekierowują ruch do odpowiednich serwerów. Jest to szybka i efektywna metoda, gdyż wymaga minimalnej ilości przetwarzania danych.
• Równoważenie obciążenia na poziomie aplikacji, znane też jako równoważenie na poziomie 7 modelu OSI (HTTP/HTTPS) lub równoważenie na poziomie zawartości, bierze pod uwagę treść zapytań HTTP/HTTPS w celu dokonania decyzji o routingu. Dzięki temu możliwe jest bardzo precyzyjne kierowanie ruchu, na przykład na podstawie URL, ciasteczek sesyjnych, czy typu zapytania HTTP. Metoda ta umożliwia bardziej zaawansowane zarządzanie ruchem, w tym sesjami użytkowników i cachowaniem treści.

Niezbędnym elementem skutecznego load balancingu jest też wybór odpowiedniego algorytmu, który będzie decydował o sposobie dystrybucji ruchu. Niektóre z najpopularniejszych to:

• Round Robin jest jednym z najprostszych i najczęściej stosowanych algorytmów równoważenia obciążenia. Jego działanie polega na przekazywaniu każdego nowego żądania do kolejnego serwera w puli, zgodnie z ustaloną kolejnością. Kiedy algorytm dojdzie do końca listy serwerów, wraca na początek i kontynuuje proces w ten sam sposób. Jest to proste w implementacji i zapewnia równomierne wykorzystywane serwerów, ale nie uwzględnia ich obecnego obciążenia ani wydajności.
• Weighted Round Robin jest zaawansowaną wersją algorytmu Round Robin, która uwzględnia „wagę” przypisaną każdemu serwerowi, aby lepiej odzwierciedlić jego zdolności obliczeniowe. Wyraża się ją jako liczbę całkowitą, która określa, ile razy serwer powinien być wybrany do obsługi zapytań w porównaniu z innymi serwerami w puli. Serwer z wyższą wagą otrzyma większą liczbę zapytań niż serwer o niższej wadze, co pozwala na bardziej sprawiedliwe i efektywne rozdzielenie obciążenia.
• Algorytm Least Connections wybiera serwer, który w danej chwili ma najmniejszą liczbę aktywnych połączeń i kieruje do niego nowe zapytania, co teoretycznie powinno równomiernie rozłożyć obciążenie pracy i zasoby sieciowe wśród dostępnych serwerów. Przydaje się to, gdy czas obsługi zapytania może się znacznie różnić – serwery, które szybko obsługują zapytania, będą mogły przyjąć więcej nowych zadań.
• Weighted Least Connections (WLC) jest ewolucją koncepcji Least Connections, która również bierze pod uwagę wagę serwerów. W tym przypadku algorytm kieruje nowe zapytania do serwera z najmniejszą liczbą aktywnych połączeń, ale z uwzględnieniem jego wagi. Oznacza to, że serwer o wyższej wadze może obsługiwać więcej połączeń niż serwer o niższej wadze, nawet jeśli absolutna liczba aktywnych połączeń jest podobna. Pomaga to, gdy różne serwery w klastrze mogą obsługiwać różną liczbę połączeń jednocześnie, zależnie od ich mocy obliczeniowej i przepustowości sieciowej.
• IP Hash to algorytm, który przypisuje użytkownika do konkretnego serwera na podstawie funkcji haszującej adresu IP użytkownika. Dzięki temu wszystkie zapytania od danego użytkownika są kierowane do tego samego serwera, co jest szczególnie przydatne w utrzymaniu ciągłości sesji w aplikacjach webowych.

Narzędzia stosowane w load balancingu

W load balancingu stosuje się różnorodne narzędzia – od sprzętowych rozwiązań, po oprogramowanie i usługi w chmurze:

• Sprzętowe load balancery to urządzenia fizyczne zaprojektowane do równoważenia obciążenia ruchu sieciowego. Charakteryzują się wysoką wydajnością i często stosuje się je w dużych centrach danych oraz w środowiskach o wysokich wymaganiach dotyczących przepustowości i niezawodności. Przykłady to urządzenia firmy F5 Networks czy Cisco.
• Istnieje wiele rozwiązań software’owych, które mogą być uruchamiane na standardowym sprzęcie serwerowym lub wirtualnych maszynach. Są one bardziej elastyczne i często tańsze w eksploatacji niż sprzętowe odpowiedniki. Przykłady to HAProxy, Nginx, i Apache Server z modułem mod_proxy_balancer.
• Dostawcy usług chmurowych oferują równoważenie obciążenia jako część swojej platformy, umożliwiając łatwe skalowanie i zarządzanie obciążeniem aplikacji bez konieczności zarządzania własną infrastrukturą. Przykłady to Amazon Web Services Elastic Load Balancing (AWS ELB), Google Cloud Load Balancing, i Microsoft Azure Load Balancer.
• Load balancery oparte na DNS – równoważenie obciążenia na poziomie DNS polega na kierowaniu ruchu do różnych serwerów lub lokalizacji geograficznych na podstawie zapytań DNS. Jest to prostsze rozwiązanie, które może być skuteczne dla rozproszonych globalnie aplikacji. Przykłady to Cloudflare i DNS Made Easy.
• Kontrolery dostępu i dostarczania aplikacji to zaawansowane urządzenia lub oprogramowania, które oferują nie tylko równoważenie obciążenia, lecz także szereg innych funkcji związanych z optymalizacją i zabezpieczaniem aplikacji. Mogą one obejmować automatyczne przekierowywanie ruchu, SSL offloading, cachowanie treści i ochronę przed atakami DDoS. Przykłady to Citrix ADC i Kemp LoadMaster.

Dobre praktyki w load balancingu

Pierwszym krokiem skutecznego równoważenia obciążenia jest staranne planowanie architektury – powinno ono uwzględniać przyszłą skalowalność i miejsca, w których może dojść do awarii. Należy też rozumieć charakterystykę ruchu i wzorce dostępu użytkowników – pozwoli to wybrać najbardziej odpowiednie metody równoważenia obciążenia.

Ważne jest również zapewnienie wysokiej dostępności i odporności na awarie poprzez stosowanie redundancji na poziomie serwerów, centrów danych i ścieżek sieciowych. W przypadku awarii jednego z komponentów ruch może być automatycznie przekierowany do działających jednostek, co minimalizuje przerwy w dostępie do aplikacji.

Monitorowanie wydajności i zdrowia serwerów w czasie rzeczywistym umożliwia szybką reakcję na zmieniające się warunki, takie jak wzrost ruchu lub awaria serwera, oraz dostosowanie dystrybucji ruchu w celu utrzymania optymalnej wydajności strony internetowej.

Nie wolno też zapominać, aby implementować mechanizmy ochronne na poziomie równoważenia obciążenia: filtrację ruchu, ochronę przed atakami DDoS i szyfrowanie danych. Nie tylko zwiększa to bezpieczeństwo przesyłanych informacji, lecz także chroni infrastrukturę przed potencjalnymi zagrożeniami.

Pomocna może być także automatyzacja procesów wdrażania i konfiguracji load balancerów. Wykorzystanie narzędzi do automatyzacji i orkiestracji, takich jak Ansible, Terraform czy Kubernetes, pozwala elastycznie zarządzać zasobami i zapewnia spójność konfiguracji w całym środowisku.

Nie należy ignorować analizy i optymalizacji na poziomie aplikacji, w tym uwzględnienia aspektów związanych z optymalizacją kodu aplikacji, baz danych i innych zasobów backendowych. Sprawdzenie czy sesje użytkowników są poprawnie zarządzane w rozproszonym środowisku, może mieć znaczenie dla zapewnienia spójności doświadczeń użytkowników (User Experience).

Inną ważną praktyką jest przeprowadzanie regularnych testów wydajności i obciążeniowych. Symulowanie szczytowego ruchu i różnych scenariuszy awaryjnych pozwala na identyfikację potencjalnych wąskich gardeł i problemów z wydajnością zanim staną się krytyczne.

W load balancingu ważne jest też budowanie wiedzy i umiejętności zespołu IT w zakresie nowych technologii i trendów w równoważeniu obciążenia. Nieustannie pojawiają się nowe narzędzia, platformy i metodyki, więc inwestycja w rozwój umiejętności i wiedzy technicznej pracowników pozwala utrzymać wysoką jakość i niezawodność usług IT.

Rola load balancingu

Load balancing, choć na pierwszy rzut oka wydaje się być technologią stricte informatyczną, odgrywa również znaczącą rolę w marketingu internetowym i SEO. Wpływa na nie pośrednio, ale jest to wpływ znaczący, szczególnie w kontekście dostępności stron internetowych, prędkości ich ładowania i ogólnej satysfakcji użytkownika – a więc elementów skutecznej strategii marketingowej i SEO.

W świecie marketingu internetowego pierwsze wrażenie jest niezwykle ważne. Wolno ładujące się strony charakteryzują się wysokim współczynnikiem odrzuceń, co może negatywnie wpływać na konwersję i postrzeganie marki. Równoważenie obciążenia pozwala zwiększyć szybkość ładowania stron, co zapewnia użytkownikom szybki dostęp do treści, nawet w godzinach szczytu. Dzięki temu potencjalni klienci mają lepsze doświadczenia z marką, co może przekładać się na lepsze wyniki sprzedażowe.

Prędkość ładowania strony jest jednym z czynników rankingowych Google i innych wyszukiwarek, a więc ma znaczenie w strategii SEO. Strony, które ładują się szybciej, są lepiej oceniane, co może przyczynić się do wyższej pozycji w wynikach wyszukiwania. Wyszukiwarki negatywnie oceniają też strony, które są często niedostępne, ponieważ wpływa to na jakość doświadczenia użytkownika, szukającego informacji. Zapewnienie ciągłej dostępności i wysokiej prędkości za pomocą równoważenia obciążenia pomaga utrzymać, a nawet poprawić pozycję strony w wynikach wyszukiwania.

W kontekście zarządzania kampaniami marketingowymi, zwłaszcza generującymi duży ruch, load balancing umożliwia efektywnie zarządzać wzrostem liczby odwiedzin bez ryzyka przeciążenia infrastruktury IT. Pozwala to płynnie prowadzić kampanie promocyjne, eventy online czy wyprzedaże bez obaw o dostępność strony.