Load Balancer erklärt: Wie sie funktionieren und warum man sie braucht

Ein Load Balancer kann entweder als Hardware oder als Software in einem Gerät zum Verteilen von Verbindungen eingesetzt werden. Er funktioniert in gewisser Weise ähnlich wie ein „Reverse-Proxy“, da er den Benutzern über eine virtuelle IP-Adresse als Anwendungsserver erscheint. Eine solche Technologie wird als SLB (Server Load Balancer) bezeichnet. Der SLB wird sowohl für LAN-Netzwerke als auch für Pools von Anwendungsservern innerhalb einer Website eingesetzt.

Mithilfe eines Load Balancers lassen sich die Skalierbarkeit und Verfügbarkeit der Anwendung beurteilen. Eine Anwendung benötigt unter Umständen mehr Ressourcen, als ein einzelner Server bereitstellen kann. Der Load Balancer arbeitet mit dem Serverpool zusammen, indem er den Datenverkehr mithilfe verschiedener Algorithmen verteilt. Falls mehr Ressourcen benötigt werden, können diese hinzugefügt werden.

Der Load Balancer überprüft die Verfügbarkeit der Anwendung auf dem Server. Bei Problemen bei einer solchen Überprüfung wird die Anwendung aus dem Pool der verfügbaren Server entfernt. Sobald die Probleme mit der betreffenden App behoben sind, wird sie vom Health-Check wieder in den Pool aufgenommen.

Da sich solche Load Balancer zwischen dem App-Server und den Nutzern befinden, können sie zusätzliche Funktionen übernehmen. Sie können beim Content-Switching helfen und Sicherheitsfunktionen wie WAF und 2FA bereitstellen.  

Wichtige Vorteile des Load Balancing

Die wichtigsten Vorteile dieser Technologie liegen in der Sicherheit, Verfügbarkeit und Skalierbarkeit der Anwendung. Ähnlich wie ein Reverse-Proxy fungiert der Lastausgleich als eine Art Schaltstelle, die das Datenverkehrsaufkommen zwischen dem Server und den Benutzern steuert und lenkt.

Häufige Anwendungsbereiche des Lastausgleichs

• ​Automatische Wiederherstellung an den Backup-Standorten.
• ​Automatische Erkennung von Serverproblemen und Umleitung des Datenverkehrs.
• ​Entfernung und Hinzufügung von Anwendungsservern.
• ​Keine Auswirkungen während der Serverwartung.
• ​Blockierung verdächtiger Inhalte.

So funktioniert ein Load Balancer

Ein Load Balancer funktioniert, indem er dem Nutzer eine virtuelle IP-Adresse zuweist, die die Anwendung repräsentiert. Dieser Nutzer stellt eine Verbindung zu dieser Adresse her, und der Load Balancer bestimmt dann mithilfe von Algorithmen, ob eine Verbindung an eine bestimmte Anwendung auf dem Server weitergeleitet werden soll. Zudem ist der Load Balancer für die Überwachung und Verwaltung während der gesamten Laufzeit verantwortlich.

Lassen Sie uns den Funktionsablauf anhand eines viel einfacheren Beispiels erläutern – beispielsweise unterstützt ein Immobilienmakler einen Kunden bei der Anmietung einer Immobilie. Der Makler bespricht einige Details mit dem Kunden und sendet eine Anfrage bezüglich des Vertrags an den Eigentümer der Immobilie. Der Eigentümer antwortet mit einem konkreten Preisvorschlag, und diese Information wird dem Kunden über den Makler mitgeteilt. Dieser Prozess setzt sich bis zur Vertragsunterzeichnung fort.

Die Hauptaufgabe des Maklers wie auch eines Load Balancers besteht darin, die Situation auszugleichen. Was den Load Balancer betrifft, so kann er bestimmte Details zulassen oder ablehnen und damit das Sicherheitsniveau beeinflussen. Er kann auch eine Authentifizierung nutzen, um die Echtheit des Nutzers zu überprüfen. Je nach Verfügbarkeit des Servers kann er den Datenverkehr auf einen anderen Server umleiten.  

Verschiedene Arten von Lastenausgleichssystemen

Im Folgenden werden verschiedene Arten von Lastenausgleichssystemen erläutert, damit Sie ein besseres Verständnis der Technologie sowie ihrer Geschichte erhalten.

Netzwerkbasierte Server-Lastverteiler

Diese Technologie entstand Mitte der 1990er Jahre als Reaktion auf einen plötzlichen Anstieg des Datenverkehrs. Die grundlegende Funktionsweise von Lastverteilern besteht in der Bildung eines Serverpools, um den Bedarf an verfügbaren Ressourcen zu decken. Die Zuordnung erfolgte auf Basis des Paket-Headers. Konkret handelt es sich dabei um ein 5-Tupel – IP-Protokoll, Zielport, Quellport, Ziel-IP und Quell-IP. Dies war der Beginn der netzwerkbasierten Server-Lastverteiler, die auch als Layer-4-Lastverteiler bekannt waren.

Lastverteiler auf Anwendungsebene

Die Technologie steht in ihrer Entwicklung niemals still, sondern ist ein ständiger Prozess mit zahlreichen Modernisierungen und Strategien. Dies gilt auch für die Lastverteiler: Bald erhielten sie weitere Funktionen und begannen, Content-Switching und Content-Awareness anzubieten. Solche Load Balancer orientierten sich eher an der Nutzlast des Inhalts als am Paket-Header. Sie wurden als Load Balancer auf Anwendungsebene oder Layer-7-Load-Balancer bezeichnet und berücksichtigten die URL sowie den HTTP-Header.

Globale Lastverteilungslösungen

GSLB ist ein völlig anderer Ansatz im Vergleich zu den ursprünglichen Load Balancern. Globale Lastverteilungslösungen arbeiten in Echtzeit und basieren auf DNS; sie reagieren also auf der Grundlage spezifischer Algorithmen. Solche Lösungen lassen sich mit der dynamischen DNS-Technologie vergleichen, die verschiedene Standorte überwacht und verwaltet. Viele der heute verfügbaren hervorragenden Load Balancer bieten GSLB als nützliche Komponente an.

Hardwarebasierte Lastverteilung

Lastverteiler können auch mit Hardware-Lösungen in Verbindung stehen. Ein solcher Ansatz garantiert bessere Leistungsmerkmale und wird in der Regel in Rechenzentren eingesetzt. Zudem sind diese Optionen unabhängig von COTS-Hardware und Hypervisoren.

Software- und virtuelle Lastverteiler

Heutzutage sind Technologien aufgrund der höheren Flexibilität zunehmend cloudbasiert. Zudem lassen sich solche Lastverteilerlösungen in Virtualisierungs-Orchestrierung integrieren. Softwarebasierte Umgebungen basieren auf CI/CD- und DevOps-Prozessen.

Skalierbare elastische Load Balancer

ELB bietet weitaus mehr Optionen und gewährleistet eine bessere Skalierbarkeit, die sich jederzeit an den Datenverkehrsanforderungen orientiert. Durch den Einsatz einer solchen Lösung ist es möglich, den Datenverkehr der Anwendung zu skalieren. Zudem gibt es die Option für bedarfsgesteuerte und automatische Skalierbarkeit. Diese Load Balancer bieten eine deutlich höhere Fehlertoleranz der Anwendung, da sie Algorithmen zum Request-Routing nutzen.

Grundlagen der Load-Balancing-Algorithmen

Die Algorithmen sind spezifische Regeln, die erforderlich sind, damit die Verbindung bestimmen kann, an welchen Server sie weitergeleitet werden soll. Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen; einige davon sind sehr komplex, während andere sehr einfach sind. Der Zweck aller Algorithmen besteht darin, die Verbindung an den am besten geeigneten App-Server weiterzuleiten.

Der am häufigsten verwendete Algorithmus ist der „Least Connections“-Algorithmus. Ein solcher Algorithmus leitet die Verbindung auf der Grundlage der Anzahl der Verbindungen an den Server mit der besten Leistung weiter. Der „Least Connections“-Algorithmus berücksichtigt die Dauer jeder Verbindung, indem er die derzeit aktiven Verbindungen auswertet.  

Verschiedene Arten von Lastverteilungsalgorithmen

• ​Source-IP-Hash
• ​Least-Connection
• ​Gewichtetes Round-Robin
• ​Gewichtete Antwortzeit
• ​Round Robin
• ​Gewichtete Least-Connection
• ​Verkettetes Failover