Улучшение времени доступа к серверу с помощью балансировки нагрузки

Бесчисленное множество людей ежедневно пользуются Интернетом для проведения исследований или виртуальных покупок. Какими бы ни были их причины, загруженный трафик создает нагрузку на веб-сервер, который отвечает за поддержание работоспособности интернет-магазинов, бизнес-сайтов или других информационных порталов. Поставщики услуг особенно полагаются на веб-приложения, обеспечивающие быстрые и безопасные транзакции. По этой причине доступность веб-сайта играет решающую роль в превращении посетителей сайта в клиентов.

Серверы могут стать особенно опасными для компаний, когда они затрудняют или, в худшем случае, сводят на нет деловую активность. Эффективным, хотя и затратным, способом борьбы с такими ошибками в бизнесе является инвестирование в современные серверные технологии. Для тех, кто не в состоянии понести такие расходы, интересной альтернативой оказывается эффективное распределение трафика данных, известное также как балансировка нагрузки. Этот метод не только перехватывает трафик в пиковое время, но и повышает надежность соединения. Направляя доступ к серверу между одинаково распределенными ресурсами, достигается более стабильная скорость доступа.

Обычно за каждым доменом закреплен веб-сервер. Данные с этого сервера запрашиваются, когда пользователь Интернета инициирует доступ к веб-сайту, вводя URL в строку поиска браузера. Если сервер перегружен, пользователи получают сообщения об ошибках в виде кода состояния HTTP, показывающего, что веб-сайт не может быть отображен. Именно здесь в игру вступает балансировка нагрузки. Расположенные выше в иерархии серверов, балансировщики нагрузки позволяют распределять домены между несколькими серверами, не сталкиваясь с проблемами, связанными с адресами. Балансировщики нагрузки адресуются в своих публичных доменах.

Подчиненные серверы, или серверы нижестоящего уровня, обозначаются как www1, www2, www3 и т.д. Такая практика позволяет с помощью балансировки нагрузки сделать веб-сайт доступным под одним и тем же URL, хотя они распределены между разными серверами. В результате вероятность перегрузки сервера снижается за счет направления внешних запросов на разные физические компьютеры в пределах данного кластера. А благодаря сложным алгоритмам, отвечающим за такое распределение, посетители остаются в основном в неведении относительно распределения их запросов.

Балансировка нагрузки может играть роль и помимо веб-серверов: даже для компьютеров с несколькими процессорами. В таких случаях балансировщик нагрузки обеспечивает равномерное распределение требований между различными процессорами для получения большей вычислительной мощности.

Запросы к веб-серверу, например, в виде просмотров страниц, первоначально поступают на балансировщик нагрузки. Затем он берет на себя распределение нагрузки, перенаправляя попытки доступа на разные серверы. Сам балансировщик нагрузки может быть реализован как аппаратное или программное обеспечение, но принцип остается тем же: запрос поступает на балансировщик нагрузки, и, в зависимости от используемого метода, устройство или программное обеспечение перенаправляет данные на соответствующий сервер.

Технической основой для этого является процесс DNS: пользователь получает доступ к веб-сайту только через URL-адрес. С помощью DNS (системы доменных имен) он превращается в IP-адрес, который, в свою очередь, связывается с балансировщиком нагрузки. В идеале пользователь не замечает, что запрос был перенаправлен на сервер.

Распределение входящих запросов зависит от выбора алгоритма. Популярными стандартными алгоритмами балансировки нагрузки являются: Round Robin, Weighted Round Robin, Least Connections и Weighted Least Connections.

Round Robin описывает процедуру, при которой входящие запросы сервера обрабатываются в очереди балансировщиком нагрузки и распределяются по ряду серверов. Каждый новый запрос назначается на следующий сервер в последовательности. В результате запросы доступа могут быть равномерно распределены по кластеру балансировки нагрузки. Независимо от срочности запроса или степени загруженности сервера, Round Robin обрабатывает все процессы одинаково.  Балансировщики нагрузки, функционирующие таким образом, особенно идеальны для ситуаций, когда кластеры серверов в равной степени обеспечены одинаковыми ресурсами. Round Robin обеспечивает простой и эффективный метод распределения для случаев, удовлетворяющих этим критериям. Серверные системы, использующие алгоритмы Round Robin, могут оказаться в невыгодном положении, когда сталкиваются со значительными разрывами в мощности; менее надежные серверы могут быть нагружены последующими процессами до завершения начального. Это может привести к перегрузке сервера.

Round Robin может оказаться неэффективным при наличии разнородных кластеров серверов, но это можно учесть, используя взвешенную схему распределения Round Robin. Входящие запросы распределяются между отдельными серверами с помощью статических весовых функций. Весовые коэффициенты предопределяются администратором. Например, высокому серверу может быть присвоено значение 100, а менее эффективные серверы получат значение 50. Работа при такой конструкции означает, что взвешенный сервер с показателем 100 может получить два запроса от балансировщика нагрузки за один раунд. Менее надежный взвешенный сервер со значением 50, с другой стороны, может получить только один запрос. Взвешенные раунды следует использовать только для схем балансировки нагрузки, в которых кластеры серверов имеют в своем распоряжении различные ресурсы.

Когда речь идет о последовательном распределении запросов сервера через балансировщик нагрузки, алгоритмы Round Robin не учитывают количество соединений, которые подчиненные серверы должны поддерживать в течение определенного периода времени. Это означает, что на одном сервере в кластере может накопиться несколько соединений. В результате сервер становится перегруженным, хотя он обрабатывает меньше запросов на подключение, чем другие серверы. Алгоритм наименьших подключений решает эту проблему, распределяя запросы в соответствии с существующими подключениями соответствующего сервера. Балансировщики нагрузки распределяют запросы на серверы с наименьшим количеством активных соединений. Этот метод распределения нагрузки рекомендуется для однородных кластеров серверов, которые оснащены сопоставимыми ресурсами. В альтернативных случаях могут возникать задержки с ответами.

Кластеры серверов с различной производительностью должны использовать балансировку нагрузки на основе взвешенного распределения существующих соединений вместо алгоритма наименьших соединений. В этом методе учитываются как взвешенные функции, определяемые администратором, так и активные соединения сервера. Результатом такой настройки является более равномерное распределение трафика запросов в кластере серверов. Новые запросы от балансировщика нагрузки автоматически распределяются на сервер с наименьшей нагрузкой в данный момент.

Время доступа может быть заметно сокращено за счет распределения трафика между несколькими серверами, даже при одновременной обработке нескольких запросов. Поскольку трафик более медленного сервера автоматически направляется на другие серверы в кластере, балансировка нагрузки обеспечивает более высокую безопасность от отключения серверов. Недоступные серверы не препятствуют доступности веб-сайта. Балансировка нагрузки также упрощает обслуживание серверных систем.

Конфигурации и обновления можно проводить во время работы без заметной потери производительности. Балансировщики нагрузки способны распознавать статус обслуживания сервера и перенаправлять соответствующие запросы, что делает балансировку нагрузки очень гибким хостинговым решением.

В частности, в секторе электронной коммерции часто возникают проблемы с балансировкой нагрузки. Пример: посетитель сайта заполняет свою корзину товарами, которые он хотел бы купить. Эти товары сохраняются в течение всего сеанса, независимо от того, на какую страницу онлайн-маркета заходит пользователь. Однако обычный балансировщик нагрузки распределил бы запросы по разным серверам. Это означает, что содержимое корзины будет потеряно.

Существует два возможных подхода к решению этой проблемы. С одной стороны, балансировщик нагрузки может реагировать на IP-адрес пользователя. Тогда, например, распределитель всегда будет направлять запросы с одного и того же IP-адреса на один и тот же сервер. Другой метод заключается в считывании идентификатора сессии из самого запроса, чтобы определить, на какой сервер должен быть отправлен запрос.

Если вы зарабатываете деньги в Интернете, ваш бизнес не может позволить себе, чтобы сервер простаивал в течение какого-либо времени. А если вы используете только один сервер и он выходит из строя из-за перегрузки, ваш сайт больше не будет доступен для потенциальных клиентов. Это приводит к нескольким проблемам: во-первых, вы не сможете получать доход во время простоя. Услуги не могут быть заказаны, а покупки не могут быть сделаны. Клиенты начинают терять доверие к компании. Неработающий сайт — это то же самое, что заброшенный магазин; он не производит хорошего впечатления. Вдвойне хуже для пользователей, которые сталкиваются с перегрузкой сервера во время оформления заказа. Они не могут понять, был ли сделан заказ или нет.

Но даже если вы не предлагаете услуги непосредственно через Интернет, ваш сайт всегда должен быть доступен. Интернет стал одним из самых важных каналов доступа к информации. Если потенциальный клиент ищет подробности о вашем бизнесе в Интернете и не может получить доступ к вашему сайту, он, скорее всего, обратится к вашим конкурентам. Балансировщик нагрузки поможет свести этот риск к минимуму.

Хорошая схема балансировки нагрузки может быть реализована с помощью аппаратного обеспечения или программных решений на виртуальном сервере. На рынке представлено множество профессиональных программных решений «все в одном». Можно приобрести как хостинговые форматы, то есть инфраструктуру как услугу (IaaS), так и сетевые компоненты для локальной ИТ-инфраструктуры. Учитывая высокую цену, с которой обычно ассоциируются проприетарные балансировщики нагрузки, многие небольшие компании часто предпочитают использовать решения с открытым исходным кодом, такие как Linux Virtual Server. Эффективно распределяя рабочие нагрузки по серверным сетям, такие доступные варианты обеспечивают доступность бизнес-сайтов и других веб-проектов. Кроме того, сектор веб-хостинга предлагает балансировку нагрузки в качестве дополнительной функции для облачных вычислений.