Балансировщик нагрузки — это элемент сетевой инфраструктуры, обеспечивающий распределение трафика между несколькими серверами для обеспечения высокой доступности, отказоустойчивости и оптимальной производительности приложений. Это ключевая технология для масштабирования современных инфраструктур, предотвращения перегрузок и обеспечения бесперебойной работы сервисов.

Балансировщики нагрузки используются в различных отраслях, включая облачные вычисления, электронную коммерцию, онлайн-игры, финансовые технологии и телекоммуникации. Компании, такие как Amazon, Google, Microsoft и Cloudflare, активно применяют балансировку нагрузки для управления распределением трафика между дата-центрами и оптимизации работы своих сервисов.

В телекоммуникационной сфере балансировщики помогают операторам обеспечивать надежное соединение для миллионов пользователей, минимизируя задержки и перераспределяя нагрузку в случае перегрузки отдельных узлов сети. В сфере e-commerce балансировка помогает интернет-магазинам справляться с резкими всплесками трафика во время распродаж и рекламных кампаний, а в финансовом секторе — обеспечивает бесперебойный доступ к банковским сервисам и биржевым платформам.

Что такое балансировщик нагрузки?

Как устроен балансировщик нагрузки: алгоритмы, методы и задачи

Балансировщик нагрузки принимает входящие запросы и направляет их на один из доступных серверов по заранее заданным правилам или динамическим алгоритмам.

На этой схеме показан принцип работы балансировщика на примере TrafficSoft ADC. Это же обозначение будет использоваться и на всех следующих иллюстрациях. Что такое ADC, мы расскажем чуть ниже в этой главе.

Как работает балансировщик

Модель OSI

Работа балансировщиков нагрузки опирается на модель OSI, в частности, на уровни L3 (сетевой), L4 (транспортный) и L7 (прикладной). В зависимости от уровня балансировки принимаются решения о маршрутизации трафика.

L3 (IP)-балансировка

На сетевом уровне (L3) балансировка нагрузки осуществляется путем маршрутизации IP-пакетов между узлами. Этот метод балансировки используется в маршрутизаторах и SDN (Software-Defined Networking) решениях, позволяя распределять трафик на основе IP-адресов и масок подсетей. 

L4 (подключения/сессии)-балансировка

Балансировка на уровне L4 ориентируется на параметры TCP/UDP, такие как IP-адрес источника, порт и протокол. Она не анализирует содержимое трафика, но позволяет эффективно распределять запросы между серверами.

L7 (приложения)-балансировка

Балансировка на уровне L7 работает с содержимым запросов, например, заголовками HTTP, cookies и URL-адресами. Это позволяет реализовать интеллектуальные схемы маршрутизации, такие как перенаправление пользователей на сервера на основе их геолокации или типа устройства.

Контроллер доставки приложений (ADC)

ADC (Application Delivery Controller) — это термин, которым называют балансировщики нагрузки, работающие на уровне приложений (L7), хотя ADC могут работать и на других уровнях. Он позволяет не только распределять трафик, но и анализировать его содержимое, обеспечивая интеллектуальную маршрутизацию, оптимизацию доставки контента, управление безопасностью и ускорение работы веб-приложений.

Некоторые балансировщики используют адаптивные алгоритмы, которые динамически изменяют стратегию распределения трафика на основе результатов Health Check. Например, если один из серверов демонстрирует ухудшение производительности, балансировщик может постепенно уменьшать объем передаваемых ему запросов или полностью исключать его из пула до восстановления нормального состояния.

Благодаря Health Check балансировщик нагрузки может оперативно реагировать на изменения в инфраструктуре и обеспечивать высокую доступность сервисов.

Этот метод особенно востребован в крупных веб-сервисах, облачных платформах и мультирегиональных приложениях, где требуется динамическое управление маршрутизацией трафика на основе сложных правил.

Такие возможности особенно востребованы в системах безопасности, CDN-сетях и в архитектурах микросервисов, где требуется гибкое управление содержимым трафика на уровне сети.

Этот метод позволяет балансировщикам изменять содержимое запросов или ответов перед их обработкой. Это может включать добавление, удаление или модификацию заголовков HTTP, изменение параметров cookies, а также динамическое переписывание URL-адресов.

Content Modification

Content Switching

Content Switching (переключение контента) — это механизм интеллектуальной маршрутизации запросов, который позволяет балансировщику направлять трафик на разные серверы в зависимости от содержимого запросов. Такой подход значительно повышает гибкость распределения нагрузки и улучшает производительность веб-приложений.

SSL Offload и TLS re-encryption

Балансировщики могут снимать нагрузку с серверов, выполняя дешифрование SSL/TLS-соединений (SSL Offload). Это снижает вычислительную нагрузку на backend-серверы, позволяя им работать эффективнее. Затем, при необходимости, балансировщик может повторно зашифровать трафик перед отправкой на конечные серверы (TLS re-encryption), что особенно полезно для соблюдения требований безопасности и конфиденциальности данных.

Health Check (проверка состояния)

Health Check — это механизм мониторинга состояния серверов, который позволяет балансировщику определить, какие узлы работоспособны и могут обрабатывать запросы. Этот процесс помогает избежать перенаправления трафика на вышедшие из строя или перегруженные серверы, обеспечивая бесперебойную работу системы.

Маршрутизация: статистическая и динамическая

Балансировка

Балансировщики могут работать по статистическим алгоритмам, которые заранее определяют распределение нагрузки, или по динамическим, учитывающим текущую загруженность серверов.

Балансировщики используют различные методы распределения нагрузки:

Свойства балансировщика

Основные сценарии использования Content Switching:

Адаптивная балансировка

Анализ и маршрутизация по заголовкам HTTP — например, на основании заголовка User-Agent можно направлять пользователей мобильных устройств на специально оптимизированные серверы.

Распределение по доменам (мультисайтовая поддержка) — один балансировщик может обслуживать несколько доменов, отправляя запросы на соответствующие backend-серверы.

Географическая маршрутизация — Content Switching может работать в связке с GSLB, направляя запросы пользователей в зависимости от их географического расположения для минимизации задержек.

Разделение динамического и статического контента — статические файлы (CSS, JavaScript, изображения) могут обслуживаться отдельными серверами или CDN, а динамические запросы направляться на серверы приложений.

Виды проверок состояния:

Изменение cookies — балансировщики могут управлять cookies, например, устанавливать, изменять или удалять их для поддержания сессий пользователей или обеспечения персонализации контента.

Оптимизация взаимодействия с backend-серверами — например, балансировщик может конвертировать запросы между различными форматами API или дополнять их дополнительными параметрами.

Удаление конфиденциальных данных — балансировщик может скрывать определенные данные в заголовках HTTP или в теле запроса/ответа, обеспечивая защиту персональной информации.

Переписывание URL — иногда требуется динамически изменять URL-запроса перед его отправкой на сервер, например, для маршрутизации трафика на разные серверы в зависимости от структуры URL.

Применение content modification может быть полезно в различных сценариях:

Session ID-based Persistence — используется в системах, где сессии идентифицируются специальными токенами (например, в заголовках HTTP). Балансировщик анализирует эти токены и направляет запросы на соответствующий сервер.

Cookie-based Persistence — балансировщик добавляет специальный cookie в HTTP-запросы клиента, указывая, к какому серверу он должен быть привязан. Этот метод широко используется в веб-приложениях, так как позволяет более точно контролировать маршрутизацию пользователей.

Существует несколько методов реализации персистентности сессий:

Устойчивость к DDoS атакам

Балансировщик нагрузки должен быть способен выдерживать большое количество входящих запросов без потери работоспособности. Особенно это важно при попытках DDoS-атак, таких как, например, популярные атаки SYN-flood, цель которых — перегрузить систему и сделать сервисы недоступными. Чтобы избежать отказа, балансировщики используют специальные защитные механизмы, например, SYN-cookie и drop entry, которые позволяют устоять перед атакой и обеспечить доступность сервисов. 

Sticky-сессии позволяют закреплять пользователей за определенным сервером в течение их сеанса работы. Это особенно важно для приложений, в которых необходимо поддерживать состояние сессии, например, в интернет-банкинге, онлайн-магазинах, CRM-системах и системах бронирования.

Sticky-сессии (персистентность)

Sticky-сессии помогают снизить нагрузку на базу данных и обеспечивают стабильность работы пользовательских сеансов.

Маршрутизация на основе URL — запросы к определённым адресам (например, «/images/» или «/api/») могут перенаправляться на разные серверы, оптимизированные для работы с данным контентом.

Добавление заголовков HTTP — например, балансировщик может добавлять заголовки X-Forwarded-For, которые передают исходный IP-адрес клиента серверу, или заголовки безопасности для усиленной защиты веб-приложений.

IP-based Persistence — привязка пользователей к определенному серверу на основе их IP-адреса. Недостатком этого метода является возможность изменения IP-адресов (например, в мобильных сетях), что может привести к потере сессии.

DSR — Direct Server Response

Симметричная схема

DSR (Direct Server Response) — это схема балансировки, при котором запросы клиентов проходят через балансировщик, но ответы от сервера направляются напрямую к клиенту, минуя балансировщик. Такой подход снижает задержки и уменьшает нагрузку на балансировщик, поскольку обработка исходящего трафика осуществляется непосредственно серверами.

DSR особенно полезен в высоконагруженных системах, где требуется минимизация времени отклика и высокая пропускная способность. Однако данный метод требует поддержки специальных конфигураций серверов и сетевой инфраструктуры, так как серверы должны быть настроены таким образом, чтобы ответы клиентам отправлялись без изменения исходного IP-адреса запроса.

Симметричная схема балансировки предполагает, что все запросы и ответы проходят через балансировщик, который управляет распределением нагрузки, проверяет состояние серверов и может выполнять дополнительные функции, такие как шифрование (SSL Offload) и внесение изменений в трафик. Эта схема считается классической и чаще используется, хотя предполагает дополнительную нагрузку на балансировщики.

Этот метод обеспечивает полный контроль над передаваемыми данными и подходит для большинства веб-приложений, где требуется дополнительная обработка трафика. Однако он может вызывать дополнительные задержки, особенно в случаях высокой нагрузки, поскольку балансировщик становится единственной точкой прохождения трафика.

Логика маршрутизации запросов и ответов

Защита ноды

Защита сайта: глобальная балансировка (GSLB)

Для обеспечения отказоустойчивости балансировщики нагрузки могут работать в кластерах, где при выходе одного узла из строя его нагрузка автоматически перераспределяется на резервные балансировщики. Это предотвращает полный отказ системы и обеспечивает бесперебойную работу сервисов. Обычно используются механизмы кластеризации, позволяющие перенаправить трафик в случае отказа одного из элементов — он будет перенаправлен на резервную ноду.

GSLB — это механизм глобальной балансировки нагрузки, представляющий собой комплексную защиту как отдельных нод, так и целых площадок. Он распределяет трафик между серверами, расположенными в разных регионах или странах, обеспечивая высокую отказоустойчивость и минимальные задержки.

GSLB учитывает геолокацию пользователей, производительность серверов, доступность ресурсов и сетевые условия, перенаправляя запросы на наиболее оптимальный сервер. Данный метод балансировки используется крупными облачными провайдерами, CDN-сетями и международными корпорациями, гарантируя непрерывную работу сервисов даже в случае отказа отдельных узлов или целых дата-центров. В сочетании с локальными балансировщиками GSLB позволяет достичь высочайшего уровня доступности и надежности.

Высокая доступность

Веб-интерфейс

Автоматизация через REST API

REST API предоставляет возможность интеграции балансировщика с внешними системами и автоматизации рутинных задач. С помощью API можно динамически изменять параметры балансировки, настраивать правила маршрутизации, управлять пользователями и экспортировать метрики в сторонние системы. Это важно для CI/CD-процессов, облачных развертываний и масштабируемых инфраструктур.

Командная строка (CLI) предназначена для продвинутого администрирования и автоматизации настроек балансировщика. Она позволяет выполнять сложные конфигурации, импортировать и экспортировать настройки, а также интегрироваться с другими системами через скрипты. CLI особенно полезен для опытных администраторов и DevOps-инженеров, предпочитающих управлять балансировкой через терминал.

CLI

Управление и мониторинг

Логирование событий — ведение журналов работы системы для анализа инцидентов и аудита изменений.

Алерты и уведомления — настройка оповещений при обнаружении проблем, например, превышение порогов нагрузки или отказ серверов.

Экспорт метрик — балансировщики могут отправлять данные о производительности, загрузке серверов, количестве активных соединений и ошибках в системы мониторинга, Grafana, Zabbix и другие. Популярными форматами экспорта данных являются SNMP и Prometheus.

Мониторинг

Эффективный мониторинг критичен для поддержания стабильной работы балансировщика. Включает:

Графический интерфейс управления балансировщиком предоставляет удобный способ настройки и мониторинга работы системы. Он позволяет администраторам управлять политиками балансировки, просматривать состояние серверов, анализировать метрики и настраивать правила маршрутизации трафика. Современные балансировщики предлагают веб-интерфейсы с поддержкой дашбордов и визуализацией в реальном времени.

Что такое балансировщик нагрузки