Kỹ thuật cân bằng tải mạng (Network load balancing)

cân (NLB - Network Load Balancing)


NLB mở rộng hiệu năng của các server ứng dụng, chẳng hạn như Web server, nhờ phân phối các yêu cầu của client cho các server trong nhóm (cluster). Các server (hay còn gọi là host) đều nhận gói IP đến, nhưng gói chỉ được xử lý bởi một server nhất định. Các host trong nhóm sẽ đồng thời đáp ứng các yêu cầu khác nhau của các client, cho dù một client có thể đưa ra nhiều yêu cầu. Ví dụ, một trình duyệt Web cần rất nhiều hình ảnh trên một trang Web được lưu trữ tại nhiều host khác nhau trong một nhóm server. Với kỹ thuật cân bằng tải, quá trình xử lý và thời gian đáp ứng client sẽ nhanh hơn nhiều. Mỗi host trong nhóm có thể định ra mức tải mà nó sẽ xử lý hoặc tải có thể phân phối một cách đồng đều giữa các host. Nhờ sử dụng việc phân phối tải này, mỗi server sẽ lựa chọn và xử lý một phần tải của host. Tải do các client gửi đến được phân phối sao cho mỗi server nhận được số lượng các yêu cầu theo đúng phần tải đã định của nó. Sự cân bằng tải này có thể điều chỉnh động khi các host tham gia vào hoặc rời khỏi nhóm. Đối với các ứng dụng như Web server, có rất nhiều client và thời gian mà các yêu cầu của client tồn tại tương đối ngắn, khả năng của kỹ thuật này nhằm phân phối tải thông qua ánh xạ thống kê sẽ giúp cân bằng một cách hiệu quả các tải và cung cấp khả năng đáp ứng nhanh khi nhóm server có thay đổi. Các server trong nhóm cân bằng tải phát đi một bản tin đặc biệt thông báo trạng thái hoạt động của nó (gọi là heartbeat message) tới các host khác trong nhóm đồng thời nghe bản tin này từ các khác host khác. Nếu một server trong nhóm gặp trục trặc, các host khác sẽ điều chỉnh và tái phân phối lại tải để duy trì liên tục các dịch vụ cho các client. Trong phần lớn các trường hợp, phần mềm client thường tự động kết nối lại và người sử dụng chỉ cảm thấy trễ một vài giây khi nhận được đáp ứng trả lời. Kiến trúc hệ thống cân bằng tải Để tối đa hoá thông lượng và độ khả dụng, công nghệ cân bằng tải sử dụng kiến trúc phần mềm phân tán hoàn toàn, trình điều khiển cân bằng tải được cài đặt và chạy song song trên tất cả các host trong nhóm. Trình điều khiển này sắp xếp tất cả các host trong nhóm vào một mạng con để phát hiện đồng thời lưu lượng mạng đến địa chỉ IP chính của nhóm (và các địa chỉ bổ sung của các host ở nhiều vị trí khác nhau). Trên mỗi host, trình điều khiển hoạt động như một bộ lọc giữa trình điều khiển card mạng và chồng giao thức TCP/IP, cho phép một phần lưu lượng mạng đến được nhận bởi host đó. Nhờ đó, các yêu cầu của client sẽ được phân vùng và cân bằng tải giữa các host trong nhóm. Hệ thống cân bằng tải chạy như một trình điều khiển mạng (về mặt logic) nằm dưới các giao thức lớp ứng dụng như HTTP hay FTP. Hình sau cho thấy việc triển khai hệ thống cân bằng tải như một trình điều khiển trung gian trong chồng giao thức mạng của Windows2000 tại mỗi host trong nhóm. Kiến trúc này tối đa hoá dung lượng nhờ việc sử dụng mạng quảng bá để phân phối lưu lượng mạng đến tất cả các host trong nhóm và loại bỏ sự cần thiết phải định tuyến các gói đến từng host riêng lẻ. Do thời gian lọc các gói không mong muốn diễn ra nhanh hơn thời gian định tuyến các gói (định tuyến bao gồm các quá trình nhận gói, kiểm tra, đóng gói lại và gửi đi), kiến trúc này cung cấp thông lượng cao hơn các giải pháp dựa trên bộ điều phối. Khi tốc độ của mạng và server tăng lên, thông lượng cũng tăng theo tỉ lệ thuận, do đó loại bỏ được bất cứ sự lệ thuộc nào vào việc định tuyến dựa trên các phần cứng đặc biệt. Trên thực tế, bộ cân bằng tải có thể đạt thông lượng 250Mbit/s trong các mạng Gigabit. Một ưu điểm cơ bản khác của kiến trúc phân tán hoàn toàn là độ khả dụng được tăng cường với (N-1) cách khắc phục lỗi trong một nhóm có N host. Các giải pháp dựa trên bộ điều phối tạo ra một điểm lỗi kế thừa mà chỉ có thể được khắc phục bằng cách sử dụng một bộ điều phối dự phòng và do đó chỉ cung cấp một cách khắc phục lỗi duy nhất. Kiến trúc cân bằng tải cũng tận dụng được những ưu điểm về kiến trúc các thiết bị chuyển mạch (switch) và/hoặc các bộ tập trung (hub) của mạng con trong việc đồng thời phân phối lưu lượng mạng đến tất cả cac host trong nhóm. Tuy nhiên, phương pháp này làm tăng "tải trọng" trên các chuyển mạch do chiếm thêm