Was ist ein Load Balancing?

Da Websites mit hohem Datenverkehr und Cloud-Computing-Anwendungen täglich Millionen von Benutzeranfragen erhalten, ist der Lastausgleich eine unverzichtbare Funktion für die moderne Anwendungsbereitstellung. Zum Beispiel sorgen E-Commerce-Websites mit Lastausgleich dafür, dass Webanwendungen Daten, Bilder, Videos und Preise ohne Verzögerung oder Ausfallzeit von Webservern für Verbraucher bereitstellen können.

Der Lastausgleich kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Hardware-Load-Balancer sind physische Geräte, die vor Ort installiert und gewartet werden. Software-Load-Balancer sind Anwendungen, die auf privaten Servern installiert oder als verwalteter Cloud-Service (Cloud Load Balancing) bereitgestellt werden.

In beiden Fällen werden eingehende Client-Anfragen in Echtzeit vermittelt und es wird festgestellt, welche Backend-Server diese Anfragen am besten verarbeiten können. Um zu verhindern, dass ein einzelner Server überlastet wird, leitet der Load Balancer Anfragen an eine beliebige Anzahl verfügbarer Server on-premises, in Serverfarmen oder in Cloud-Rechenzentren weiter.

Sobald die Anfrage bei dem zugewiesenen Server eingeht, antwortet dieser über den Load Balancer dem Client. Der Load Balancer stellt dann die Verbindung zwischen Server und Client her, indem er die IP-Adresse des Clients mit der des ausgewählten Servers abgleicht. Der Client und der Server können dann kommunizieren und die angeforderten Aufgaben ausführen, bis die Sitzung abgeschlossen ist.

Wenn es zu einem Anstieg des Netzwerkverkehrs kommt, kann ein Load Balancer zusätzliche Server online schalten, um der Nachfrage gerecht zu werden. Wenn die Netzwerkaktivität hingegen nachlässt, kann der Load Balancer den Pool verfügbarer Server reduzieren. Er kann auch beim Netz-Caching helfen, indem er den Datenverkehr an Cache-Server, auf denen frühere Benutzeranfragen vorübergehend gespeichert werden, weiterleitet.

Die Methode zum Routing einer Anforderung an einen bestimmten Server wird durch einen Lastausgleichsalgorithmus definiert. Load-Balancing-Algorithmen bieten verschiedene Funktionen und Vorteile für verschiedene Anwendungsfälle.

Dieser Algorithmus verwendet das Domain Name System (DNS), um in einer fortlaufenden Rotation den einzelnen Servern nacheinander Anfragen zuzuweisen. Dies ist die einfachste Methode des Lastausgleichs, da sie nur den Namen jedes Servers heranzieht, um zu bestimmen, welcher Server die nächste eingehende Anfrage erhält.

Zusätzlich zu seinem DNS-Namen wird jedem Server in diesem Algorithmus auch eine „Gewichtung“ zugewiesen. Die Gewichtung bestimmt, welche Server bei der Bearbeitung eingehender Anfragen Vorrang vor anderen haben sollten. Ein Administrator entscheidet, wie jeder Server basierend auf seiner Kapazität und den Anforderungen des Netzwerks gewichtet wird.

Bei diesem Algorithmus vereinfacht (oder hasht) eine Berechnung die IP-Adresse der eingehenden Anfrage in einen kleineren Wert namens Hash-Schlüssel. Dieser eindeutige Hash-Schlüssel (der die IP-Adresse des Benutzers darstellt) dient dann als Grundlage für die Entscheidung, wie die Anfrage an einen bestimmten Server weitergeleitet werden soll.

Wie der Name schon sagt, gibt dieser Algorithmus dem Server mit den am wenigsten aktiven Verbindungen Priorität, wenn eine neue Clientanforderung eingeht. Diese Methode verhindert, dass Server mit Verbindungen überlastet werden, und sorgt stets für eine gleichmäßige Serverauslastung.

Dieser Algorithmus kombiniert die Methode der geringsten Verbindungen mit der kürzesten durchschnittlichen Serverantwortzeit. Sowohl die Anzahl der Verbindungen als auch die Zeit, die ein Server benötigt, um Anforderungen auszuführen und eine Antwort zu senden, werden bewertet. Der schnellste Server mit den wenigsten aktiven Verbindungen erhält die eingehende Anfrage.

Der Hauptzweck eines jeden Load Balancers ist zwar die Verteilung des Datenverkehrs, doch es gibt verschiedene Arten von Load Balancern, die spezifische Funktionen erfüllen.

Network-Load-Balancer optimieren den Datenverkehr und reduzieren die Latenz in lokalen und Wide-Area Networks. Sie verwenden Netzwerkinformationen wie IP-Adressen und Zielports zusammen mit TCP- und UDP-Protokollen für das Routing des Netzverkehrs und die Gewährleistung eines ausreichenden Durchsatzes, um der Benutzernachfrage nachzukommen.

Diese Load Balancer verwenden Anwendungsinhalte wie URLs, SSL-Sitzungen und HTTP-Header für das Routing des API-Anfragedatenverkehrs. Da duplizierte Funktionen auf mehreren Anwendungsservern vorhanden sind, kann durch die Untersuchung des Inhalts auf Anwendungsebene ermittelt werden, welche Server bestimmte Anfragen schnell und zuverlässig erfüllen können.

Mit dem Aufkommen von Virtualisierung und VMware-Technologie werden nun virtuelle Load Balancer eingesetzt, um den Datenverkehr zwischen Servern, virtuellen Maschinen und Containern zu optimieren. Orchestrierungstools für Open-Source-Container wie Kubernetes bieten virtuelle Lastausgleichsfunktionen zur Weiterleitung von Anfragen zwischen Knoten von Containern in einem Cluster.

Diese Art von Load Balancer leitet den Datenverkehr an Server in verschiedenen geografischen Regionen weiter, um die Anwendungsverfügbarkeit sicherzustellen. Benutzeranfragen können dem nächstgelegenen verfügbaren Server oder bei einem Serverausfall einem anderen Ort mit einem verfügbaren Server zugewiesen werden. Diese Failover-Funktion macht den globalen Serverlastausgleich zu einer wertvollen Komponente der Notfallwiederherstellung.