Балансировка нагрузки сети: описание технологии

Заключение

Интернет-технологии приняли широкое распространение, и используются как основа построения корпоративных и критически важных приложений, таких как веб-узлы, узлы потокового мультимедиа-вещания и серверы виртуальных частных сетей. Являясь интегрированной частью операционных систем Windows 2000Advanced Server и Datacenter Server, служба распределения нагрузки сети является оптимальным и эффективным решением, обеспечивающим масштабируемость и высокую отказоустойчивость таких приложений как в Интернете, так и в интрасетях.

Служба БНС позволяет системным администраторам создавать кластеры, включающие до 32 узлов, между которыми будут распределяться поступающие от клиентов запросы. При этом с точки зрения клиентов кластер ничем не отличается от обычного сервера; серверные приложения также не требуют адаптации для работе в кластере.

Служба БНС снабжена всеми необходимыми администраторам средствами управления, в том числе возможностью (после ввода пароля) удаленно управлять кластером с любого компьютера в сети. Кроме того, администраторы имеют возможность настраивать кластер под специальные задачи, управляя потоком данных на уровне портов. Узлы добавляются и исключаются из кластера без прекращения обслуживания. Кроме того, программное обеспечение на узлах кластера можно обновлять без прекращения обработки клиентских запросов.

Служба БНС использует для распределения нагрузки между узлами полностью распределенный алгоритм. В отличие от решений на основе диспетчеризации такая архитектура обеспечивает высокую производительность и низкие накладные расходы ресурсов на распределение потока запросов от клиентов. Кроме того, для этой архитектуры характерна высокая отказоустойчивость (N–1) при числе узлов N. Все эти характеристики достигаются без необходимости использовать специальные аппаратные или программные решения.

Служба БНС периодически рассылает ритмические сообщения, предназначенные для информирования каждого члена кластера о наличии других узлов. Сбой любого узла обнаруживается в течение пяти секунд, а восстановление обслуживания клиентов выполняется в течение десяти секунд. Как при отключении работающего узла, так и при добавлении нового узла в кластер нагрузка автоматически и прозрачно перераспределяется между членами кластера.

Тесты производительности демонстрируют, что использование программной службы БНС дает низкие накладные расходы на обработку потока данных и превосходные возможности масштабирования производительности, ограниченные только пропускной способностью подсети. Служба БНС демонстрирует пропускную способность более 200 Мбит/с в реальных решениях по обслуживанию электронной торговли с более чем 800 млн. запросов в течение дня.

Словарь основных терминов

ARP

Протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol). Протокол семейства TCP/IP, отвечающий за разрешения IP-адресов, используемых программным обеспечением на базе TCP/IP в адреса, используемые оборудованием локальной сети.

Отказоустойчивость

Мера устойчивости компьютера и его программного обеспечения к различного рода отказам. Компьютерная система с высокой отказоустойчивостью обеспечивает непрерывное обслуживание независимо от сбоев оборудования или программного обеспечения.

Привязка клиентов

Параметр настройки для режима многоузловой балансировки с правилом портов, при котором служба БНС направляет запросы от определенного IP-адреса или пространства адресов класса C одному узлу кластера. Имеется три режима привязки клиентов: без привязки, привязка одного клиента, привязка адресов класса C.

Запрос клиента

Запрос на обслуживание от компьютера клиента серверу или кластеру серверов. Служба БНС перенаправляет каждый запрос клиента определенному узлу кластера в соответствии с правилами распределения нагрузки, заданными администратором.

Кластер

Группа компьютеров, которые совместно выполняют обслуживание запросов клиентов. При использовании кластера повышается отказоустойчивость и масштабируемость обслуживания. Служба балансировки нагрузки сети обеспечивает программное решение для объединения нескольких компьютеров в кластер, на котором выполняются сетевые приложения клиент/сервер.

Адаптер кластера

Сетевой адаптер в кластере под управлением службы БНС, обслуживающий поток данных в кластере (то есть поток данных ко всем узлам кластера). Этому адаптеру назначается один или несколько виртуальных IP-адресов и, при необходимости, выделенный IP-адрес.

Схождение

Процедура, при которой узлы под управлением службы БНС обмениваются сообщениями для определения нового согласованного состояния кластера и выбора узла с наибольшим приоритетом, называемого основным узлом. В процессе схождения определяется новая схема распределения нагрузки для узлов, обрабатывающих поток данных по определенным портам TCP и UDP.

Накладные расходы ресурсов ЦП на фильтрацию

Показатель производительности, определяемый здесь как процент ресурсов ЦП узла кластера, работающего под управлением службы БНС и используемый для анализа и фильтрации сетевых пакетов (предпочтительно меньшее значение).

Накладные расходы ресурсов ЦП на передачу

Показатель производительности, определяемый здесь как процент ресурсов ЦП узла кластера, работающего под управлением службы БНС и используемый для анализа и фильтрации сетевых пакетов (предпочтительно меньшее значение).

Выделенный IP-адрес

Уникальный IP-адрес узла кластера, используемый для обмена данными, не относящимися к операциям кластера (например, для доступа по протоколу Telnet к определенному узлу кластера).

Основной узел

Узел с наибольшим значением приоритета, обрабатывающий все данные по протоколам TCP и UDP, которые не были распределены в соответствии с правилами портов.

Режим фильтрации

Параметр настройки правила портов, определяющий правила распределения нагрузки для диапазона портов, для которого задано правило. Имеется три режима фильтрации: многоузловая, одноузловая и отсутствие фильтрации.

Приоритет обработки

Параметр настройки в режиме одноузловой фильтрации, задающий приоритет узла для обработки всего потока данных в кластере, соответствующего конкретному правилу портов. Значение приоритета обработки доминирует над значением приоритета узла для диапазона портов, указанных в правиле.

Ритмическое сообщение

Сетевой пакет, периодически рассылаемый каждым узлом кластера для сообщения другим узлам о собственной работоспособности и настройке. При отсутствии ритмического сообщения от одного из имеющихся узлов или получении такого сообщения от нового узла служба БНС инициирует процедуру схождения.

Высокая отказоустойчивость

См. отказоустойчивость.

Узел

В данном контексте — компьютер, включенный в кластер под управлением службы БНС. Узел иногда называют сервером.

Приоритет узла

Параметр настройки, задающий приоритет узла кластера для обработки всех данных, не подпадающих под действие правил портов. Узел с наибольшим приоритетом (наименьшее числовое значение в диапазоне от 1 до 32) называется основным узлом.

Задержка

Показатель производительности, в данном контексте соответствующий непекрывающейся части накладных расходов ресурсов ЦП на работу службы БНС (предпочтительно меньшее значение). Время задержки добавляется к времени отклика на запрос клиента.

Распределение нагрузки

Метод масштабирования производительности путем распределения нагрузки между несколькими серверами. Служба балансировки нагрузки сети распределяет между узлами сети нагрузку приложений клиент/сервер, поступающую в виде клиентских запросов.

Оценка загрузки

Параметр настройки правил порта для режима многоузловой фильтрации, позволяющий указать долю распределяемой нагрузки, которую должен обрабатывать данный узел; диапазон значений — от 0 (нуль) до 100. Фактическая доля потока данных, обрабатываемых каждым узлом, рассчитывается как значение параметра «Оценка загрузки», разделенное на сумму значений этого параметра для всех узлов кластера.

MAC-адрес

Сетевой адрес канального уровня, называемый адресом управления доступом к среде передачи, который служит для связи с другими сетевыми адаптерами в пределах одной подсети. Каждый сетевой адаптер имеет MAC-адрес.

Широковещательный MAC-адрес

Тип адреса управления доступом к среде передачи, используемый в подключенных к сети компьютерах для одновременного получения одних и тех же пакетов данных. В многоадресном режиме работы служба БНС может использовать широковещательные MAC-адреса для распределения потока данных между узлами кластера.

Многоадресный режим

Параметр настройки, при выборе которого служба БНС добавляет адаптерам всех узлов кластера широковещательный MAC-адрес. Существующие MAC-адреса адаптеров не изменяются. См. также одноадресный режим.

Многосетевой

Компьютер, который снабжен несколькими сетевыми адаптерами или в настройках которого указано несколько IP-адресов для одного адаптера. Служба БНС поддерживает многосетевые серверы, позволяя назначить адаптеру кластера несколько виртуальных IP-адресов.

Сетевой адаптер

Плата расширения, предназначенная для подключения компьютера к локальной сети (LAN). Кластер под управлением службы БНС обменивается данными при помощи адаптера кластера через локальную сеть, соединяющую узлы кластера и клиентов.

Накладные расходы

Параметр производительности, в данном контексте означающий процент загрузки ЦП узла кластера, используемый службой БНС, и состоящий в основном из накладных расходов ресурсов ЦП на фильтрацию и накладных расходов ресурсов CPU на передачу. Часть накладных расходов связана с задержкой.

Правило портов

Параметр настройки в окне свойств службы БНС, с помощью которого задается способ обработки кластером данных в диапазоне портов. Способ обработки данных порта называется режимом фильтрации.

Основной IP-адрес.

Виртуальный IP-адрес, используемый службой БНС для идентификации кластера при удаленном управлении и для ритмических сообщений. См. виртуальный IP-адрес.

Время отклика

Параметр производительности, определяемый как задержка приема-передачи для обработки запроса клиента. Время отклика, повышающееся пропорционально неперекрывающейся части накладных расходов ресурсов ЦП, называется задержкой (предпочтительно меньшее значение).

Служба RRDNS

Тип службы доменных имен под названием Round Robin DNS, распределяющей клиентов между несколькими серверами по карусельному принципу. Служба RRDNS обеспечивает масштабируемость (но не высокую отказоустойчивость).

Масштабируемость

Показатель того, насколько компьютер, служба или приложение способны увеличить производительность при росте требований. Для кластеров масштабируемость измеряется возможностью добавлять в работающий кластер один или несколько серверов при достижении предела производительности кластера.

Сеанс

В контексте распределения потока данных балансируемая нагрузка TCP/IP-сеанса — набор запросов клиентов, направляемых на сервер. Эти запросы могут быть инициированы несколькими TCP-подключениями, возможно параллельными. В некоторых случаях серверное приложение сохраняет данные о состоянии сеанса между запросами. Чтобы сохранить возможность доступа к данным о состоянии сеанса, системный администратор с помощью параметра привязки клиентов может настроить службу БНС для направления всех запросов в пределах одного сеанса одному узлу кластера.

Состояние

В данном контексте — данные, управляемые серверным приложением от имени клиента. Для масштабирования производительности серверного приложения путем запуска нескольких копий под управлением службы БНС данные о состоянии сеанса клиента должны быть доступны и синхронизируемы всеми копиями приложения.

Коммутатор

Центральное сетевое устройство, перенаправляющее пакеты в порты (в отличие от обычных концентраторов, которые отправляют каждый пакет во все порты). Коммутаторы, способные поддерживать несколько одновременных подключений, обладают большей пропускной способностью по сравнению с концентраторами.

Лавинная маршрутизация в коммутаторе

Режим работы коммутатора, инициируемый службой БНС для одновременной доставки всех входящих пакетов во все порты коммутатора. Этот режим позволяет службе БНС обеспечивать очень высокую пропускную способность, однако приводит к высокой загрузке коммутатора.

Загрузка коммутатора

Показатель производительности, в данном контексте определяемый как часть пропускной способности порта коммутатора, занятая входящими запросами клиентов службы БНС (предпочтительно меньшее значение). Загрузка коммутатора повышается при увеличении потока данных от клиентов и не должна критически сказываться на пропускной способности порта. TCP/IP. Протокол управления передачей (Transmission Control Proto-col/Internet Protocol). Набор сетевых протоколов, используемых в Интернете для обеспечения подключений между связанными сетями, образованными компьютерами с различной архитектурой и операционными системами. Стек протоколов TCP/IP включает стандарты подключения компьютеров друг к другу и соглашения для соединения сетей и маршрутизации потоков данных.

Пропускная способность

Показатель производительности, в данном контексте определяемый как количество запросов клиентов, обрабатываемых кластером под управлением службы БНС в единицу времени (предпочтительно большее значение). Пропускная способность растет с увеличением потока данных от клиентов, который кластер может обработать без перегрузки включенных в него узлов.

Одноадресный режим

Параметр настройки, при выборе которого служба БНС присваивает сетевому адаптеру кластера MAC-адрес, совпадающий с МАС-адресом всех узлов кластера. Этот режим работы используется по умолчанию. См. также многоадресный режим.

Виртуальный IP-адрес

IP-адрес, совместно используемый узлами службы кластера под управлением службы БНС для получения запросов клиентов, адресованных всему кластеру. Кластеры под управлением службы БНС поддерживают несколько виртуальных IP-адресов (например, кластер многосетевых веб-узлов). Один из виртуальных IP-адресов является основным, используемым для идентификации кластера при удаленном управлении.