در دنیای امروز که حجم ترافیک شبکه به طور صعودی در حال افزایش است، حفظ عملکرد پایدار و پاسخگویی وب‌سایت‌ها و اپلیکیشن‌ها به یک چالش بزرگ تبدیل شده است. یکی از راهکارهای موثر برای مقابله با این چالش، استفاده از تکنیک توزیع بار است. توزیع بار فرآیندی است که در آن ترافیک شبکه به صورت هوشمندانه بین چندین سرور توزیع می‌شود تا از بارگذاری بیش از حد هر یک سرور جلوگیری شود و در نتیجه، عملکرد کلی سیستم بهبود یابد. این کار فشار روی هر سرور را کاهش می‌دهد و باعث افزایش کارایی سرورها و در نتیجه افزایش سرعت و اپتایم وب سایت شما می شود .
هنگامی که یک درخواست از کاربر دریافت می‌شود، لود بالانسر (توزیع‌کننده بار) آن درخواست را به یک سرور مشخص اختصاص می‌دهد و این فرآیند برای هر درخواست تکرار می‌شود. توزیع‌کننده‌های بار برای تعیین اینکه کدام سرور باید هر درخواست را پردازش کند، از الگوریتم‌های مختلفی استفاده می‌کنند.
الگوریتم‌های توزیع بار
- Round Robin: ساده‌ترین الگوریتم است. در این روش، درخواست‌ها به صورت دوره‌ای بین همه سرورها توزیع می‌شوند. هر درخواست به سرور بعدی در لیست ارسال می‌شود.مثال: اگر سه سرور داشته باشیم، درخواست اول به سرور اول، درخواست دوم به سرور دوم، درخواست سوم به سرور سوم و به همین ترتیب ارسال می‌شود.
- Least Connections: در این الگوریتم، درخواست‌ها به سروری ارسال می‌شود که کمترین تعداد اتصال فعال را دارد. این روش برای جلوگیری از اضافه بار شدن یک سرور خاص مفید است.همچنین سرورهایی که تعداد اتصال فعال کمتری دارند، ظرفیت آزاد بیشتری برای پردازش درخواست‌های جدید دارند.
- Weighted Round Robin: در این الگوریتم، به هر سرور یک وزن اختصاص داده می‌شود. درخواست‌ها بر اساس این وزن‌ها بین سرورها توزیع می‌شوند. سرورهایی که وزن بیشتری دارند، سهم بیشتری از ترافیک را دریافت می‌کنند.
- IP Hash: در این الگوریتم، بر اساس آدرس IP کلاینت، یک سرور خاص به صورت ثابت برای آن انتخاب می‌شود. این روش برای حفظ یک جلسه کاربری روی یک سرور خاص مفید است.این الگوریتم روشی است که در توزیع‌کننده‌های بار (Load Balancers) استفاده می‌شود تا درخواست‌های کاربران را بر اساس آدرس IP آن‌ها به سرورهای مختلف هدایت کند. در این روش، آدرس IP کاربر به عنوان ورودی یک تابع هش (Hash Function) استفاده می‌شود و خروجی این تابع برای انتخاب سرور مناسب به کار می‌رود.
- Least Response Time: در این الگوریتم، درخواست‌ها به سروری ارسال می‌شود که کمترین زمان پاسخ را دارد. این روش برای بهبود عملکرد سیستم مفید است.
- Session Persistence: در این روش، یک جلسه کاربری خاص همیشه به یک سرور خاص هدایت می‌شود. این روش برای اپلیکیشن‌هایی که نیاز به حفظ حالت جلسه (Session Persistence) دارند، مفید است.حفظ حالت جلسه به این معنی است که اطلاعات مربوط به یک کاربر خاص در طول چندین درخواست متوالی حفظ شود. به عبارت دیگر، سرور به یاد می‌آورد که کاربر قبلاً چه کاری انجام داده است و بر اساس آن به درخواست‌های بعدی او پاسخ می‌دهد. مانند فروشگاه‌های آنلاین، سیستم‌های بانکی ..
عوامل موثر در انتخاب الگوریتم
- نوع اپلیکیشن: برای اپلیکیشن‌های حساس به زمان، الگوریتم Least Response Time مناسب‌تر است. برای اپلیکیشن‌هایی که نیاز به حفظ حالت جلسه دارند، Session Persistence مناسب‌تر است.
- ظرفیت سرورها: در صورتی که سرورها ظرفیت‌های متفاوتی داشته باشند، Weighted Round Robin مناسب‌تر است.
- توزیع بار: اگر هدف توزیع یکنواخت بار بین سرورها باشد، Round Robin مناسب‌تر است.
انواع Load Balancer ها
۱ – لود بالانسر های سخت افزاری
دستگاه‌های سخت افزاری (HLD) طراحی شده بر پایه چیپ‌های مدار مجتمع سفارشی که ترافیک را بین چندین سرور در شبکه توزیع می کنند.همچنین دارای قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند مدیریت ترافیک، نظارت بر عملکرد و قابلیت‌های امنیتی را ارائه می‌دهند.
۱ – F5 BIG-IP LTM
- یک لود بالانسر سخت‌افزاری قدرتمند است که قابلیت‌های گسترده‌ای از جمله مدیریت SSL، امنیت و قابلیت اطمینان بالا را ارائه می‌دهد.
- کاربردها: محیط‌های بزرگ و پیچیده با نیاز به امنیت بالا و قابلیت‌های پیشرفته.
۲ – Cisco ACE
- یک لود بالانسر سخت‌افزاری است که توسط سیسکو ارائه می‌شود و قابلیت‌های گسترده‌ای برای مدیریت ترافیک شبکه دارد.
- کاربردها: محیط‌های شبکه‌های سازمانی بزرگ.
۲ – لود بالانسر های نرم افزاری
نرم افزار هایی که می‌توانند روی سرورهای مجازی یا فیزیکی نصب شوند و ترافیک را بین سرور ها و منابع توزیع کنند .انعطاف‌پذیری بالایی دارند و می‌توان آن‌ها را با توجه به نیازهای خاص پیکربندی کرد. انها معمولاً هزینه کمتری نسبت به توزیع‌کننده‌های سخت‌افزاری دارند.
در ادامه، چند نمونه از محبوب‌ترین توزیع‌کننده‌های بار نرم‌افزاری را با جزئیات بیشتری بررسی میکنیم:
۱. HAProxy
ویژگی‌ها:
- کارایی بسیار بالا و سرعت پاسخ‌دهی سریع
- Nginx پیکربندی بسیار انعطاف‌پذیری دارد و امکان سفارشی‌سازی گسترده‌ای را فراهم می‌کند.
- پشتیبانی از پروتکل‌های مختلف (HTTP, TCP, UDP)
- قابلیت‌های پیشرفته مانند session persistence و health checks
کاربردها:
- توزیع بار در وب‌سایت‌های با ترافیک بالا
- به عنوان یک reverse proxy برای محافظت از سرورهای اصلی
- در شبکه‌های CDN برای توزیع محتوای استاتیک
۲. nginx-ingress-controller) Nginx)
ویژگی‌ها:
- کارایی بالا و مصرف منابع کم
- قابلیت استفاده به عنوان وب سرور، reverse proxy و توزیع‌کننده بار
- پشتیبانی از HTTP/2 و WebSocket
- قابلیت پیکربندی ساده و انعطاف‌پذیر
کاربردها:
- توزیع بار در وب‌سایت‌های پویا
- به عنوان یک reverse proxy برای محافظت از سرورهای اپلیکیشن
- قابل پیاده سازی در محیط‌های کانتینری مانند Docker و Kubernetes
۳. Traefik
ویژگی‌ها:
- به طور خاص برای محیط‌های کانتینری (مانند داکر و کوبرنتیز )و میکروسرویس‌ها طراحی شده است
- Traefik می‌تواند به طور خودکار سرویس‌ها را از منابع مختلف مانند Docker, Kubernetes, Consul و Mesos کشف کند.
- از پروتکل‌های مختلف HTTP/1, HTTP/2, gRPC و UDP پشتیبانی می‌کند.
- پشتیبانی از SSL/TLS: امکان توزیع ترافیک SSL/TLS را فراهم می‌کند.
۳ – لود بالانسر های مبتنی بر فضای ابری
این نوع لود بالانسرها به صورت یک سرویس در فضای ابری ارائه می‌شوند و به کاربران امکان می‌دهند بدون نیاز به مدیریت زیرساخت فیزیکی، از قابلیت‌های لود بالانسینگ بهره‌مند شوند.
AWS Elastic Load Balancing
یکی از محبوب‌ترین لود بالانسرهای ابری است که توسط آمازون ارائه می‌شود. این سرویس انواع مختلفی از لود بالانسینگ را شامل می‌شود، از جمله لود بالانسینگ برای HTTP, HTTPS, TCP, UDP و همچنین لود بالانسینگ برای محیط‌های Kubernetes.
Azure Load Balancer
لود بالانسر ارائه شده توسط مایکروسافت است که برای توزیع ترافیک در محیط‌های Azure استفاده می‌شود. این سرویس از انواع مختلفی از پروتکل‌ها پشتیبانی می‌کند و با سایر سرویس‌های Azure به خوبی یکپارچه می‌شود.
Google Cloud Load Balancing
لود بالانسری است که توسط گوگل ارائه می‌شود و برای توزیع ترافیک در محیط‌های Google Cloud Platform استفاده می‌شود. این سرویس از انواع مختلفی از لود بالانسینگ، از جمله لود بالانسینگ برای HTTP(S), TCP, UDP و همچنین لود بالانسینگ برای محیط‌های Kubernetes پشتیبانی می‌کند.
کاربردهای لود بالانسرهای مبتنی بر فضای ابری:
- توزیع ترافیک وب‌سایت‌ها و برنامه‌های کاربردی: ترافیک ورودی را بین چندین سرور وب توزیع می‌کنند تا از بارگذاری بیش از حد هر یک از سرورها جلوگیری کنند و در نتیجه عملکرد و قابلیت اطمینان وب‌سایت را بهبود بخشند.
- حفاظت از سرورهای اصلی: با قرار گرفتن در جلوی سرورهای اصلی، از آن‌ها در برابر حملات و خطرات احتمالی محافظت می‌کنند.
- تعادل بار در محیط‌های میکروسرویس: در معماری‌های میکروسرویس، ترافیک را بین چندین سرویس میکروسرویس توزیع می‌کنند.
- پشتیبانی از قابلیت‌های پیشرفته مانند SSL offloading: می‌توانند عملیات رمزنگاری SSL/TLS را از سرورهای اصلی به خودشان منتقل کنند تا بار پردازشی سرورها را کاهش دهند.
۴ – لود بالانسر های مبتنی بر لایه ۴ شبکه ( Transport layer )
HAProxy
- یکی از محبوب‌ترین لود بالانسرهای لایه ۴ است.
- عملکرد بسیار بالا و قابلیت پیکربندی گسترده دارد.
- از پروتکل‌های TCP، UDP و HTTP پشتیبانی می‌کند.
- کاربردها: توزیع ترافیک وب‌سایت‌ها، پایگاه داده‌ها و سایر سرویس‌ها.
LVS (Linux Virtual Server)
- یک لود بالانسر نرم‌افزاری است که به صورت داخلی در هسته لینوکس گنجانده شده است.
- عملکرد بسیار بالا و قابل اعتماد است.
- از الگوریتم‌های توزیع بار مختلفی پشتیبانی می‌کند.
- کاربردها: توزیع ترافیک در محیط‌های لینوکسی، به ویژه در محیط‌های کلود.
۵ – لود بالانسر های مبتنی بر لایه ۷ شبکه (Application layer )
Citrix NetScaler
- یک لود بالانسر قدرتمند است که قابلیت‌های گسترده‌ای برای مدیریت ترافیک برنامه‌های کاربردی دارد.
- از ویژگی‌هایی مانند SSL offloading، WAF و مدیریت دسترسی پشتیبانی می‌کند.
- کاربردها: محیط‌های مجازی و ابری.
Nginx
- علاوه بر اینکه یک وب سرور قدرتمند است، به عنوان یک لود بالانسر لایه ۷ نیز استفاده می‌شود.
- قابلیت‌های بالایی در مدیریت ترافیک HTTP/2 دارد.
- وب‌سایت‌های با ترافیک بالا و محیط‌های میکروسرویس.
-
۶ – لود بالانسر سرور های جهانی ( Global Servers )
لود بالانسرهای سرور جهانی ابزاری قدرتمند هستند که برای توزیع ترافیک بین سرورهایی که در نقاط مختلف جهان قرار دارند، استفاده می‌شوند. این ابزارها با تجزیه و تحلیل موقعیت جغرافیایی کاربران و انتخاب نزدیک‌ترین سرور، به بهبود سرعت و عملکرد وب‌سایت‌ها و برنامه‌های کاربردی کمک می‌کنند.بسیاری از شرکت‌های بزرگ و پلتفرم‌های آنلاین برای ارائه خدمات با کیفیت بالا و مقیاس‌پذیر، از سرورهای جهانی و لود بالانسرها استفاده می‌کنند. این شرکت‌ها با توزیع ترافیک در سطح جهان، به کاربران خود تجربه کاربری بهتری ارائه می‌دهند و از بروز مشکلات ناشی از بارگذاری بیش از حد سرورها جلوگیری می‌کنند.
مثال‌هایی از لود بالانسرهای جهانی:
AWS Global Accelerator
شتاب دهنده جهانی AWS یک سرویس مدیریت ترافیک جهانی است که توسط آمازون ارائه می‌شود.
Azure Front Door
Azure Front Door یک سرویس CDN (تحویل محتوا جهانی) است که توسط مایکروسافت ارائه می‌شود و قابلیت لود بالانسینگ را نیز دارد.سرعت ارائه محتوا با تأخیر کمتر و توان عملیاتی بالاتر از مزیت های ان به حساب می ایند.
Front Door در لایه ۷ یا لایه HTTP/HTTPS کار می کند و از پروتکل anycast با تقسیم TCP و شبکه جهانی مایکروسافت برای بهبود اتصال جهانی استفاده می کند.
Cloudflare
کلودفلر نیز یک شبکه CDN (تحویل محتوا) جهانی است که قابلیت‌های لود بالانسینگ را نیز ارائه می‌دهد.توزیع بار کلودفلر با توزیع پویای ترافیک بین مراکز داده و سرورهای جغرافیایی پراکنده، عملکرد، زمان فعالیت و تجربه کاربری را بهبود می‌بخشد.
ویژگی‌های لود بالانسرهای جهانی
- توزیع جغرافیایی: قابلیت توزیع ترافیک در سطح جهانی.
- تعادل بار پیشرفته: استفاده از الگوریتم‌های پیچیده برای توزیع بار بین سرورها.
- مدیریت ترافیک real-time: قابلیت نظارت بر ترافیک و انجام تنظیمات پویا.
- یکپارچگی با CDN: امکان یکپارچه شدن با شبکه‌های تحویل محتوا (CDN) برای بهبود عملکرد.
- امنیت بالا: قابلیت‌های امنیتی مانند SSL offloading، WAF و DDoS protection.
کاربرد لود بالانسرهای سرور های جهانی
- شرکت‌های بزرگ با کاربران جهانی: برای ارائه خدمات با کیفیت بالا به کاربران در سراسر جهان.
- شرکت‌های ارائه‌دهنده محتوا: برای توزیع محتوای ویدیویی و صوتی با کیفیت بالا در پلتفرم هایی مثل نتفلیکس.
- برنامه‌های کاربردی حساس به تأخیر: مانند بازی‌های آنلاین و شبکه‌های اجتماعی (همچون توییتر و فیسبوک).
- سرویس‌های ابری: برای توزیع ترافیک بین چندین منطقه ابری.
دانشجوی مهندسی نرم افزار و علاقه مند به دواپس 🙂
