Функции балансировщика нагрузки, распределение трафика и у... | Вопросы для собеседования

Основное назначение балансировщика нагрузки состоит в распределении входящего сетевого трафика по нескольким серверам, чтобы обеспечить:

Высокую доступность приложений
Масштабируемость для обработки увеличенного трафика
Надёжность путем предотвращения перегрузки серверов
Эффективное использование ресурсов на серверной инфраструктуре

Балансировщики нагрузки действуют как «регулировщики трафика», направляя запросы клиентов на наиболее подходящий сервер в пуле серверов на основе различных алгоритмов и проверок состояния.

Как балансировщики нагрузки распределяют трафик

Балансировщики нагрузки используют несколько методов для распределения входящих запросов:

Round Robin - Запросы распределяются последовательно по пулу серверов
Минимальное время отклика - Направляет трафик на серверы с наименьшим временем отклика
Взвешенное распределение - Серверы с большей мощностью получают пропорционально больше трафика, можно выставлять вручную долю трафика
Минимальное количество подключений - Новые запросы направляются на сервер с наименьшим количеством активных подключений
Хэширование по IP-адресу - Использует IP-адрес клиента для определения, какой сервер получит запрос

Обработка отказов сервера

Когда сервер становится недоступным или неработоспособным, балансировщики нагрузки:

Выполняют проверки состояния, отправляя периодические запросы на каждый сервер (обычно /health /stat ручки)
Обнаруживают отказы, когда серверы не отвечают корректно или в рамках заданных временных ограничений
Прекращают маршрутизацию трафика на отказавшиеся серверы (failover)
Перераспределяют трафик на оставшиеся работоспособные серверы
Возобновляют отправку трафика, когда отказавшиеся серверы восстанавливаются

Это гарантирует, что клиенты столкнутся с минимальными перебоями даже при отказе отдельных серверов.

Управление одновременными подключениями

Балансировщики нагрузки помогают преодолеть ограничения на одновременные подключения, которые может обрабатывать один сервер:

Веб-серверы имеют ограничения на то, сколько одновременных подключений они могут поддерживать (открытые порты, сокеты)
Каждое подключение потребляет ресурсы памяти и процессора
По мере увеличения трафика серверы могут перегружаться
Балансировщики нагрузки распределяют подключения по нескольким серверам, чтобы предотвратить перегрузку любого одного сервера

Балансировка нагрузки уровня 4 против уровня 7

Балансировщики нагрузки работают на разных уровнях модели OSI:

Балансировка нагрузки уровня 4 (Транспортный уровень)

Работает с протоколами TCP/UDP
Принимает решения о маршрутизации на основе сетевой информации, такой как IP-адреса и порты
Более быстрое выполнение с меньшей нагрузкой
Не может принимать решения, основанные на содержимом трафика
Пример использования: простое распределение TCP-соединений

Клиент → Балансировщик нагрузки → Сервер (на основе IP/порта)

Балансировка нагрузки уровня 7 (Прикладной уровень)

Работает на уровне протокола приложения (HTTP, HTTPS, SMTP)
Может принимать решения на основе содержимого (URL, куки, заголовки)
Обеспечивает маршрутизацию на основе содержимого (например, направление запросов API на определённые серверы)
Более интеллектуальное управление трафиком, но с большей нагрузкой на сам балансировщик
Пример использования: маршрутизация трафика на основе пути URL или ID клиента

Активно-пассивные и активно-активные конфигурации

Активно-пассивная конфигурация

Основной (активный) балансировщик нагрузки обрабатывает весь трафик
Вторичный (пассивный) балансировщик находится в резерве
Если активный балансировщик нагрузки выходит из строя, пассивный принимает на себя управление (переключение)
Проще в реализации, но менее эффективно в использовании ресурсов
Обычно требуется heartbeat соединение» между балансировщиками нагрузки для обнаружения отказов

Активно-активная конфигурация

Несколько балансировщиков нагрузки активно обрабатывают трафик одновременно
Лучшее использование ресурсов и более высокая общая пропускная способность
Встроенная избыточность без выделенных резервных устройств
Сложнее в реализации, но обеспечивает большую ёмкость
Нет простоя во время технического обслуживания, так как трафик переключается на другие активные балансировщики

Дополнительные преимущества балансировщиков нагрузки

Помимо распределения трафика, современные балансировщики нагрузки предоставляют:

Завершение (или терминация) SSL/TLS - Расшифровка трафика HTTPS перед отправкой на серверы, уменьшая нагрузку на процессор сервера приложения
Кэширование содержимого - Сохранение часто используемого содержимого для уменьшения запросов к серверам
Фаервол веб-приложений (WAF) - Фильтрация вредоносного трафика перед достижением серверов приложений
Rate limiting - Защита от DDoS-атак путем ограничения запросов от определённых источников
Сжатие - Уменьшение пропускной способности путем сжатия ответов
Мониторинг состояния - Подробные сведения о состоянии приложений и серверов
Географическая балансировка нагрузки - Направление пользователей на ближайший дата-центр для повышения производительности

Лучшие практики для реализации балансировщиков нагрузки

Реализуйте надлежащие health checks, которые проверяют работоспособность приложения, а не только ответ сервера
Настройте соответствующие таймауты для различных типов запросов
Используйте несколько балансировщиков нагрузки для обеспечения избыточности, избегая единых точек отказа
Отслеживайте метрики балансировщика нагрузки (подключения, пропускная способность, ошибки)
Планируйте ёмкость с запасом для удовлетворения пиковых нагрузок
Регулярно тестируйте сценарии переключения, чтобы гарантировать бесперебойные переходы
Защитите административный доступ к конфигурации балансировщика нагрузки
Документируйте топологию балансировки нагрузки и правила принятия решений для устранения неполадок