Was ist ein Load Balancer?

Nehmen wir an, Sie hätten eine Java Webapplikation in Spring programmiert. Eine hochexklusive Homepage, welche dem Besucher die Frisuren aller Formel 1 Rennfahrer zeigt. Nun möchten Sie ihr Glanzstück dem Internet zeigen.

Im einfachsten Fall erstellen Sie ein aus ihrem Java Projekt eine WAR Datei (Web Archive). Dann brauchen Sie noch einen Server, der zum Beispiel eine Linux Distribution am laufen hat. Dort installieren sie einen Tomcat (siehe Tomcat oder Websphere?) und kopieren ihre WAR Datei in den Webapps Ordner. Beim Starten von Tomcat wird ihre Webapplikation automatisch entpackt und gestartet.

Unerhoffter Erfolg

Nach einigen Wochen schauen Sie sich die Benutzerstatistiken an und sehen, wie die Zugriffe auf ihre Seite explodiert sind! Alle wollen Formel 1 Rennfahrerfrisuren bestaunen! Ihr Server kommt mit den Anfragen nicht mehr nach. Was tun?

Mehr Server müssen her

Sie brauchen mehr Server und Sie brauchen ein Load Balancing!

Sobald Sie mehrere Server am Laufen haben spricht man von einem Server Cluster (oder auch Server Farm oder Server Pool). Ein Cluster ist eine Gruppe von Servern, die gleichzeitig eine Webapplikationen laufen haben und für die Aussenwelt so erscheinen, als ob es ein einziger Server wäre.

Zwischen der Aussenwelt und den Servern liegt dann der Load Balancer. Dies kann eine Software- oder Hardwarelösung sein.

Das Ziel ist es, die Hochverfügbarkeit zu gewährleisten. Wenn ein Server ausfallen würde, können die verbleibenden Server die Anfragen übernehmen. Ein weiteres Ziel ist die Skalierbarkeit. Wenn ihre Benutzerzahlen in den Himmel schiessen, werden Sie noch mehr Server benötigen, um den Ansturm an Besuchern auszuhalten. Das System muss also skalierbar und erweiterbar sein.

Wie funktioniert jetzt ein Load Balancer?

Wenn ein Besucher auf ihre Webseite geht, tippt er eine URL wie „www.suesseformel1frisuren.ch“ in den Browser. Der Domain Name Server (DNS) schaut dann in seinem Verzeichnis und findet die IP Adresse des Servers, etwa „200.0.0.121“, welche er dem Besucher zurückgibt. Das nennt man DNS Lookup.

Der DNS Server kann nun mehrere Adressen für eine URL speichern. Jede Adresse steht dann für einen Server im Cluster. Kommt nun eine Anfrage rein, schickt der DNS Server die Adresse des ersten Servers zurück. Bei der nächsten Anfrage die des zweiten Servers, dann des dritten, dann wieder der erste und so weiter. Das ist die Round Robin-Methode.

200.0.0.121
200.0.0.122
200.0.0.123

Was ist der Vorteil dieser Methode?

Der Vorteil davon ist, dass neue Server ganz einfach der Konfiguration hinzugefügt werden können.

Was ist der Nachteil bei der Server Affinität?

Server Affinität ist die Fähigkeit, die Benutzeranfragen an einen bestimmten Server zu senden. Ein Nachteil dieser Methode ist es nämlich, dass mehrere Anfrage des gleichen Benutzers an verschiedene Server geschickt werden können. Das HTTP Protokoll ist stateless, zwei aufeinanderfolgende Anfragen wissen nichts voneinander. Um die Kontrolle über die Session eines Benutzers zu behalten, kann der Server eine der folgenden Methoden verwenden:

1. Cookies
2. Versteckte Felder
3. URL Rewriting

Das Prinzip ist dabei jeweils dasselbe: Wenn ein Benutzer eine erste Anfrage macht, erstellt der Server ein Token, welches diesen Benutzer identifiziert. Dieses Token wird dann an den Benutzer geliefert, und dieser schickt immer das gleiche Token bei folgenden Anfragen. Somit kann der Load Balancer die Anfragen des gleichen Tokens immer an den gleichen Server schicken.

Ein Problem hierbei ist allerdings, dass der Browser die IP Adresse des Servers cached. Wenn dieser Cache abläuft, macht der Browser eine neue Anfrage und erhält gegebenfalls eine andere IP als vorher.

Was ist der Nachteil bei der hohen Verfügbarkeit?

Hat man einen Cluster mit 5 Servern und einer dieser Server geht offline, kann es dennoch vorkommen, dass Anfragen an diesen Server geschickt werden. Um dies zu verhindern prüfen moderne Router regelmässig, ob die Server noch angesprochen werden können.

Gibt es noch andere Load Balancing Algorithmen?

Ja, statt eines Round Robins könnte man etwa wählen, dass jeweils derjenige Server die nächste Anfrage erhält, welcher momentan am wenigsten offene Verbindungen zu Clients hat.

Oder man konfiguriert ein IP Hashing, bei dem man anhand der IP Adresse des Benutzers feststellt, an welchen Server er weitergeleitet wird.

Hardware und Software Load Balancers

Bei Load Balancers gibt es Lösungen als Hardware wie auch als Software.

Ein Hardware Load Balancer hat etwa den Vorteil, dass er selber eine virtuelle Ip Adresse besitzt, die er der Aussenwelt zeigen kann. Diese virtuelle Ip repräsentiert quasi den gesamten Cluster. Kommt nun eine neue Anfrage rein, überschreibt der Load Balancer den Request Header mit der effektiven Adresse eines Servers.

Der Vorteil ist hier, dass man Server einfach entfernen kann und nicht Gefahr läuft, dass dennoch ein Benutzer auf diesen Server connected – Schliesslich wird der gesamte Cluster durch die eine virtuelle IP repräsentiert. Das Problem ist, dass Hardware Load Balancer nicht in gesicherten HTTPS Verbindungen laufen, weil dort die Nachrichten SSL-verschlüselt sind und den Load Balancer daran hindern, auf die Informationen zuzugreifen. Die Server Affinität ist somit bei HTTPS nicht gegeben. Für die Entschlüsslung müsste ein Web Server Proxy vor den Cluster gehängt werden.

Software Load Balancer werden auch Application Delivery Controller (ADC) genannt, welche gut mit Virtual Appliances umgehen können – Also etwa ein Betriebssystem, Tomcat und Webapplikation als geschnürtes Paket.

Momentan mal! Virtual Applicances? Huh?

Genau. Am Anfang habe ich das einfachste Beispiel gemacht: Sie kaufen einen physischen Server, stellen ihn in einen Raum und installieren zum Beispiel eine Linux Distribution mit Tomcat auf dieser Maschine. Dort läuft dann ihre Webapplikation.

In den heutigen Firmen ist dieses einfache Beispiel aber mittlerweile ziemlich entfernt von der Realität. Stellen Sie sich vor, eine Firma müsste für jede Webapplikation eine bis mehrere physische Server unterhalten. Das wäre ein viel zu grosser Aufwand.

Stattdessen läuft heute mittlerweile so ziemlich alles virtualisiert – So virtualisiert, wie man sich das kaum vorstellen kann. Eine grosse Firma hat etwa eine gewisse Serverlandschaft zur Verfügung. Auf dieser Serverlandschaft laufen alle ihre Webapplikationen – Aber alle stets virtualisiert. Ihre Formel 1 Frisuren-Applikation ist dann etwa nur ein virtuelles Image, in dem schon alles enthalten ist: Applikation, Betriebssystem und Tomcat. So kann man die Applikation auf beliebig vielen Servern starten und wieder verschwinden lassen, ganz wie man es benötigt (Punkt Skalierbarkeit).

Liefert man eine neue Version seiner Applikation, macht das Entwicklungsteam oftmals gleich das Gesamtpaket (also das ganze Image) für den Betrieb bereit, welcher dieser nur noch deployen kann. Entgegen meinem Artikel Was ist DevOps? ist die Entwicklung und der Betrieb oftmals noch in verschiedenen Teams. Die Entwickler entwickeln, die Betriebsleute installieren.

Nun, es geht sogar noch weiter, aber ich muss wohl langsam zum Ende kommen. Weitere interessante Themen sind etwa Docker, bei dem man die Applikation auch noch vom Betriebssystem abkoppelt, oder serverless code, bei dem alles irgendwo in der Cloud läuft. Aber diese Geschichte erzähle ich ein anderes Mal.

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