Was sind Lastverteilungsalgorithmen? Alles, was Sie wissen müssen

Stellen Sie sich einen Restaurantgastgeber vor, der ankommende Gäste in verschiedenen Teilen des Restaurants platziert, um die Arbeitsbelastung unter dem Servicepersonal zu verteilen. Der Gastgeber möchte sicherstellen, dass kein einzelner Kellner überfordert wird oder für mehr Tische verantwortlich ist, als er bewältigen kann. Dieser Prozess sorgt auch dafür, dass die Gäste rechtzeitig bedient werden.

In Cloud-Diensten funktionieren Lastverteilungsalgorithmen auf die gleiche Weise. Netzwerkadministratoren und IT-Manager verwenden Lastverteilungssoftware, um Ressourcen auf Websites und Anwendungen zu verteilen, damit sie das Beste aus ihren Ressourcen herausholen können. 

Das Hauptziel ist es, zu verhindern, dass ein einzelner Server überlastet wird, um optimale Leistung, hohe Verfügbarkeit und effiziente Ressourcennutzung zu gewährleisten.  

Wie funktioniert Lastverteilung?

Jeden Tag greifen Milliarden von Menschen über das Internet auf moderne Anwendungen zu. Anwendungen laufen normalerweise auf mehreren Servern. Lastverteilungstools erleichtern die Aufgabenverteilung, um zu verhindern, dass ein Server überlastet wird und langsamer wird oder, schlimmer noch, abstürzt. Sie helfen, die Arbeit gleichmäßig auf mehrere Server zu verteilen, damit Benutzer ohne Verzögerung oder Unterbrechung auf Anwendungen zugreifen können. 

Um dies zu ermöglichen, haben Entwickler Lastverteiler entwickelt, Geräte oder Softwareprogramme, die für die Verkehrsverteilung verantwortlich sind. Netzwerkadministratoren platzieren sie zwischen Benutzern und Servern. Wenn ein Benutzer versucht, eine Verbindung zu einer Anwendung herzustellen, überprüft der Lastverteiler die Anfrage und wählt den am besten geeigneten Server aus. 

Der Prozess läuft im Hintergrund ab, unsichtbar für die Benutzer, sodass sie nicht sehen, wie ihre Anfragen durch Lastverteiler geleitet werden. Stattdessen fordern sie verschiedene Webseiten an und erhalten Ergebnisse, während der Lastverteiler daran arbeitet, die von ihnen angeforderten Seiten bereitzustellen – fast wie Magie. 

Sie können die Lastverteilung mit der Verantwortung eines Verkehrslotsen vergleichen (außer dass ein Verkehrsdirektor sichtbar ist und Lastverteiler nicht). Denken Sie an eine stark befahrene Kreuzung, die sich im Bau befindet und keine funktionierenden Ampeln hat. Ohne einen Verkehrsleiter könnten Autos nicht abwechselnd durch die Kreuzung fahren, was schließlich zu Unfällen und Staus führen würde. 

Der Verkehrsdirektor leitet Fahrzeuge in angemessenen Abständen durch die Kreuzung, balanciert die Verkehrsbelastung aus, um sicherzustellen, dass alles reibungslos fließt, und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Unfällen. In diesem Beispiel ist der Verkehrsdirektor der Lastverteiler, die Autos sind die Aufgaben, die Benutzer anfordern, und die Straßen sind die Server. 

Vorteile der Lastverteilung

Lastverteilung steigert die Effizienz, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit von Systemen, die starken Verkehr bewältigen, was zu einer verbesserten Benutzererfahrung führt. Lastverteilungsalgorithmen bieten mehrere wichtige Vorteile:

• Verbesserte Leistung: Durch die Verteilung des Verkehrs auf mehrere Server minimiert die Lastverteilung die Wartezeiten für Benutzer, was zu einer schnelleren und reaktionsfähigeren Erfahrung führt. Die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Anfragen erhöht die Gesamtkapazität und Effizienz des Systems, was zu einer verbesserten Leistung führt.  
• Fehlertoleranz: Wenn ein Server ausfällt, leiten Lastverteilungsalgorithmen den Verkehr nahtlos zu anderen verfügbaren Servern um, um minimale Ausfallzeiten und ununterbrochenen Service zu gewährleisten.   
• Skalierbarkeit: Das Hinzufügen neuer Server zum Pool ist unkompliziert, sodass eine einfache Skalierung zur Bewältigung wachsender Verkehrsanforderungen möglich ist.   
• Ressourcenoptimierung: Lastverteilung verhindert Engpässe bei Ressourcen, indem die Arbeitslast gleichmäßig verteilt wird, was die Nutzung der verfügbaren Ressourcen maximiert.   
• Reduzierte Kosten: Durch die effiziente Nutzung vorhandener Hardware können Organisationen möglicherweise den Bedarf an kostspieligen Server-Upgrades reduzieren.

Arten von Lastverteilungsalgorithmen 

Lastverteilungsalgorithmen fallen in eine von zwei Kategorien: statisch oder dynamisch. Lassen Sie uns mehr über die Arten von Lastverteilungsalgorithmen erfahren. 

Statische Lastverteilungsalgorithmen 

Statische Lastverteilungsalgorithmen folgen festen Regeln, um den Verkehr gleichmäßig auf die Server zu verteilen. Anstatt den aktuellen Zustand oder die Last der Server zu berücksichtigen, verlassen sie sich auf vorgegebene Regeln. Aufgrund ihrer Einfachheit sind statische Lastverteilungsalgorithmen im Allgemeinen einfacher zu implementieren als dynamische. Sie bewältigen jedoch nicht immer effizient verschiedene Serverlasten. 

Nachfolgend sind einige der standardmäßigen statischen Lastverteilungsalgorithmen aufgeführt. 

Round-Robin-Methode

Bei der Round-Robin-Verteilung verteilen Lastverteiler eingehende Benutzeranfragen in einer rotierenden Reihenfolge auf die Server. Der Lastverteiler arbeitet sich durch eine Liste von Servern, bis er das Ende erreicht. Dann beginnt der Prozess von vorne, und der Lastverteiler beginnt, Anfragen in der gleichen Reihenfolge oben auf der Liste zuzuweisen. Denken Sie daran, dass alle statischen Algorithmen, einschließlich der Round-Robin-Methode, davon ausgehen, dass alle Server verfügbar sind, unabhängig von ihrer Kapazität. 

Beispiele:

• Kleinunternehmens-Websites: Verteilung des Verkehrs auf einige Server mit ähnlichen Konfigurationen.  
   
• Grundlegende Webanwendungen: Wo eine gleichmäßige Verteilung der Anfragen ausreicht, um die Leistung aufrechtzuerhalten. 

Gewichtete Round-Robin-Methode

Eine gewichtete Round-Robin-Methode verwendet fortschrittlichere Methoden als eine traditionelle Round-Robin-Zuweisung. Anstatt einer gleichmäßigen Verteilung ermöglicht ein gewichteter Algorithmus die Zuweisung von Gewichten zu jedem Server, typischerweise basierend auf der Kapazität des Servers. Der Lastverteiler verwendet die zugewiesenen Gewichte, um Anfragen entsprechend zuzuweisen. 

Server mit höheren Gewichten erhalten einen größeren Anteil der eingehenden Anfragen. Die Verteilung erfolgt rotierend, ähnlich der traditionellen Round-Robin-Technik, aber Server erhalten Anfragen proportional zu ihrem Gewicht im gesamten Zyklus. 

Beispiele:

• Serverfarmen mit Servern unterschiedlicher Spezifikationen: Verteilung des Verkehrs basierend auf der Serverkapazität, um sicherzustellen, dass leistungsstärkere Server einen größeren Anteil der Arbeitslast bewältigen.  
   
• Cloud-Umgebungen: Verteilung des Verkehrs auf virtuelle Maschinen mit unterschiedlichen Ressourcenallokationen.

IP-Hash-Methode

Der Lastverteiler verwendet die IP-Hash-Methode, um einen Hash-Wert aus der IP-Adresse des Benutzers zu generieren. Anschließend nimmt er den Hash-Wert und weist den Client einem bestimmten Server zu. Alle Anfragen von diesem Client sind mit ihrem Hash verbunden, und der Lastverteiler wird den Benutzer bei jeder neuen Anfrage an denselben Server senden. 

Beispiele:

• Online-Banking-Anwendungen: Aufrechterhaltung von Benutzersitzungen und Sicherstellung sicherer Transaktionen.
• E-Commerce-Websites: Erhaltung von Warenkorbinhalten und Benutzerpräferenzen.
• Online-Gaming-Server: Aufrechterhaltung des Spielzustands und der Spieler-Verbindungen.

Dynamische Lastverteilungsalgorithmen 

Im Gegensatz zu statischen Lastverteilungsalgorithmen untersuchen dynamische Lastverteilungsalgorithmen den aktuellen Zustand der Server, bevor sie eingehenden Netzwerkverkehr verteilen. Obwohl komplexer, sind diese Algorithmen leistungsfähiger für eine effiziente Ressourcenzuweisung und Serverlastbewältigung. Nachfolgend sind einige typische dynamische Lastverteilungsalgorithmen aufgeführt. 

Methode der geringsten Verbindung

Wenn Clients eine Verbindung zu einem Server herstellen, etablieren sie eine aktive Verbindung, um zu kommunizieren. Wenn ein Lastverteiler die Methode der geringsten Verbindung verwendet, schaut er sich die Server an, um festzustellen, welche die wenigsten aktiven Verbindungen haben, und sendet eingehenden Verkehr an diese. Diese Methode geht davon aus, dass die Server mit den wenigsten Verbindungen die meiste verfügbare Kapazität haben.

Beispiele:

• Webserver, die dynamische Inhalte verarbeiten: Wo die Bearbeitungszeiten von Anfragen erheblich variieren können, basierend auf der Komplexität der Anfrage.
• Anwendungen mit langlaufenden Verbindungen: Wie Datenbankserver oder Streaming-Dienste.

Gewichtete Methode der geringsten Verbindung

Die gewichtete Methode der geringsten Verbindung ist eine erweiterte Konfiguration von Algorithmen der geringsten Verbindung. Wie die statische Version der gewichteten Round-Robin-Methode können Sie mit diesem Algorithmus Gewichte zu jedem Server zuweisen. Der Lastverteiler wird neue Anfragen an den Server mit den wenigsten Verbindungen nach gewichteter Kapazität verteilen.

Beispiele:

• Cloud-Umgebungen mit virtuellen Maschinen unterschiedlicher Größe: Verteilung des Verkehrs basierend auf den den einzelnen VMs zugewiesenen Ressourcen.
• Serverfarmen mit Servern unterschiedlicher Spezifikationen: Priorisierung leistungsstärkerer Server unter Berücksichtigung der aktuellen Last auf jedem Server.

Methode der geringsten Antwortzeit

Antwortzeit bedeutet die Zeit, die ein Server benötigt, um eine eingehende Anfrage zu verarbeiten und eine Antwort an den Benutzer zu senden. Die Methode der geringsten Antwortzeit bewertet die Antwortzeiten der Server, sodass der Lastverteiler eingehende Anfragen an den am schnellsten reagierenden Server leitet.

Beispiele:

• Gaming-Server: Wo niedrige Latenz entscheidend für ein reibungsloses und angenehmes Spielerlebnis ist.
• Echtzeit-Kommunikationsanwendungen: Wie Videokonferenzen oder Online-Gaming, wo Verzögerungen die Benutzererfahrung erheblich beeinträchtigen können.
• Hochleistungsrechencluster: Wo die Minimierung der Job-Abschlusszeiten entscheidend ist.

Ressourcenbasierte Methode

Bei der ressourcenbasierten Methode verteilen Lastverteiler den Verkehr, indem sie aktuelle Server analysieren. Die Lastverteiler suchen nach einem Server mit ausreichenden Ressourcen, bevor sie Daten senden.

Beispiele:

• Datenbankserver: Verteilung von Datenbankverbindungen basierend auf der Serverlast und den verfügbaren Ressourcen.
• Hochleistungsrechencluster: Verteilung von Jobs auf Knoten mit den meisten verfügbaren Ressourcen.

Top 5 Lastverteilungssoftwareprogramme

Lastverteilungssoftware verteilt Ressourcen und eingehenden Verkehr auf Anwendungen und Websites, um Netzwerkadministratoren und IT-Manager bei der effizienten Ressourcenkontrolle zu unterstützen. 

Um in die Lastverteilungskategorie von G2 aufgenommen zu werden, muss ein Produkt:

• Webverkehr überwachen und Ressourcen verteilen
• Infrastruktur-Workloads skalieren, um dem Verkehr gerecht zu werden
• Failover- und Backup-Dienste bereitstellen oder integrieren

Nachfolgend sind die fünf führenden Lastverteilungsplattformen aus dem G2 Summer 2024 Grid® Report aufgeführt. Einige Bewertungen können zur Klarheit bearbeitet worden sein. 

1. HAProxy

HAProxy unterstützt die moderne Anwendungsbereitstellung in großem Maßstab in jeder Umgebung. Es bietet umfassende Lastverteilungsmethoden, einschließlich Round Robin, geringste Verbindungen und mehrere Hash-Techniken. Benutzer können erweiterte Routing-Entscheidungen basierend auf URL, Domainnamen, Dateierweiterung, IP-Adresse oder aktiven Verbindungen aktivieren. 

Was Benutzer am meisten mögen:

„Wir sind von Snapt Load Balancer (softwarebasiert) auf HAProxy Enterprise (softwarebasiert) umgestiegen. Dies beinhaltete auch die HAProxy Fusion. HAProxy war bei den mehreren Kunden, die wir bedienen, leistungsfähig und stabil und ermöglicht Konfigurationsänderungen, die unsere Kunden nicht beeinträchtigen. Dies war ein großer Schritt für unsere Stabilität und unser Vertrauen in unsere Lösung. Da es softwarebasiert ist, haben wir die Lösung problemlos in unsere Disaster-Recovery-Lösung integriert.

Das Produkt ist sehr wettbewerbsfähig im Preis, und wir haben phänomenale Unterstützung erhalten. Ich würde dieses Produkt sehr empfehlen.“

- HAProxy Review, Nathan H. 

Was Benutzer nicht mögen:

„Ich würde mir eine detailliertere Benutzeroberfläche (UI) von der Open-Source-Version wünschen.“

- HAProxy Review, Colin C. 

2. Cloudflare Application Security and Performance

Cloudflare Application Security and Performance’s Lastverteilungslösung garantiert hohe Leistung, Betriebszeit und Qualität der Benutzererfahrung, indem der Verkehr über geografisch verteilte Server und Rechenzentren ausgeglichen wird. Mit dieser dynamischen Plattform können Benutzer den Verkehr über mehrere Protokolle verwalten, um die Konfiguration anzupassen und ihre Geschäftsanforderungen zu erfüllen. 

Was Benutzer am meisten mögen:

„Die umfassenden Funktionen von Cloudflare steigern die Geschwindigkeit Ihrer Website und schützen sie vor verschiedenen Online-Bedrohungen. 

Cloudflare bietet auch kostenlose Secure Sockets Layer (SSL)-Zertifikate für sichere Datenübertragung, optimiert Bilder für schnelleres Laden und vereinfacht Dateien durch Minifizierung. Browser-Caching, WebSockets für Echtzeitkommunikation, Lastverteilung, Ratenbegrenzung, optimiertes Netzwerk-Routing, Seitenregeln für Anpassungen und die AMP Real URL-Funktion zur Wahrung Ihrer Markenidentität in Google AMP-Ergebnissen sind alle Teil des robusten Toolkits von Cloudflare zur Optimierung und Sicherung Ihrer Website.“

- Cloudflare Application Security and Performance Review, Chandra Shekhar T. 

Was Benutzer nicht mögen:

„Bisher gibt es nichts, was mir nicht gefällt. Sie könnten jedoch die Sprache in ihrer Benutzeroberfläche verbessern, die voller Fachjargon für Techniker ist. Oder sie könnten eine einfache Benutzeroberfläche für Nicht-Techniker und eine erweiterte Ansicht für Techniker anbieten.“

- Cloudflare Application Security and Performance Review, Jay K. 

3. F5 NGINX Ingress Controller

F5 NGINX Ingress Controller verwendet ein universelles Kubernetes-Tool zur Implementierung von Application Programming Interface (API)-Gateways und Lastverteilern. Es bietet App-Schutz in großem Maßstab durch starke Sicherheitskontrollen und verteilte Umgebungen und verhindert App-Ausfallzeiten durch fortschrittliche Konnektivitätsmuster und Fehlerbehebungsprozesse. 

Was Benutzer am meisten mögen:

„Es reduzierte die Komplexität des Kubernetes-Anwendungsverkehrs. Der F5 NGINX Ingress Controller vereinfacht die Verwaltung und Optimierung des Verkehrsflusses zu Ihren Kubernetes-Anwendungen und bietet erweiterte Netzwerk- und Sicherheitsfunktionen, um deren Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten.“

- F5 NGINX Ingress Controller Review, Shubham S. 

Was Benutzer nicht mögen:

„Bei der Betrachtung von F5 ist es wichtig, die Vorteile, wie fortschrittliches Verkehrsmanagement und Sicherheitsfunktionen, gegen potenzielle Nachteile, wie Kosten und Komplexität, abzuwägen. Während es eine zuverlässige Lösung für die Verwaltung des Ingress-Verkehrs von Kubernetes ist, müssen Benutzer möglicherweise Zeit und Ressourcen investieren, um es effektiv zu lernen und zu implementieren.“

- F5 NGINX Ingress Controller Review, Bhargav N. 

4. Kemp LoadMaster

Kemp LoadMaster bietet Lastverteiler für hochleistungsfähige Lastverteilung und Anwendungsbereitstellung. Es bietet Hardware-, virtuelle und cloud-native Bereitstellungslastverteiler, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Kemp LoadMaster-Lösungen kommen auch mit einer umfangreichen Bibliothek von Anwendungsbereitstellungsvorlagen. 

Was Benutzer am meisten mögen:

„Kemp Loadmaster ist ein flexibles, solides und zuverlässiges System. Der Kundenservice-Support ist hervorragend, und ich empfehle, einen guten Support-Wartungsvertrag abzuschließen.“

- Kemp LoadMaster Review, Anthony C. 

Was Benutzer nicht mögen:

„Kemp LoadMaster ist etwas teurer als andere Lastverteilungslösungen auf dem Markt.“ 

- Kemp LoadMaster Review, Tony W. 

5. F5 NGINX Plus

F5 NGINX Plus ist ein All-in-One-API-Gateway, Content-Cache, Lastverteiler und Webserver mit Funktionen auf Unternehmensniveau. Der NGINX Plus-Lastverteiler ist leistungsstark und leichtgewichtig für verschiedene Netzwerk- und Entwicklungsanforderungen.

Was Benutzer am meisten mögen:

„F5 NGINX Plus ist eine der besten Plattformen zur API-Überwachung und Sicherheitsverbesserung, die die Modernisierung von Legacy-Anwendungen vereinfacht und Microservices-Anwendungen für Unternehmen bereitstellt, die sich im digitalen Wandel befinden.“

- F5 NGINX Plus Review, Manya V. 

Was Benutzer nicht mögen:

„Der aktuelle Testzeitraum für NGINX Plus beträgt 30 Tage und sollte mindestens 90 Tage betragen, um zu verstehen, wie die Kapitalrendite wäre, wenn es gekauft wird.“

- F5 NGINX Plus Review, Mohammad S. 

Lastverteilung: Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Was ist der Zufallsalgorithmus für die Lastverteilung?

Der "Zufalls"-Algorithmus verteilt eingehende Anfragen zufällig auf verfügbare Server. Es ist ein einfacher Ansatz, der in einigen Situationen effektiv sein kann, aber er berücksichtigt nicht die Serverlast oder andere Faktoren.

Welcher Algorithmus ist am besten für unausgeglichene Daten?

Für unausgeglichene Daten werden Algorithmen bevorzugt, die die Serverlast oder Leistung berücksichtigen. Geringste Verbindungen und Geringste Antwortzeit können gute Optionen sein, da sie sich dynamisch an die sich ändernden Serverbedingungen anpassen.

Was ist Sitzungsaffinität und warum ist sie wichtig?

Sitzungsaffinität stellt sicher, dass Anfragen desselben Benutzers immer an denselben Server geleitet werden. Wichtig für Anwendungen, die auf Sitzungsdaten angewiesen sind (z. B. Online-Warenkörbe, Benutzeranmeldungen).  

Wie gehen Lastverteiler mit Serverausfällen um?

Lastverteiler gehen mit Serverausfällen durch regelmäßige Gesundheitschecks, automatische Entfernung von nicht gesunden Servern und Failover um.

Welcher Algorithmus ist am besten für die Lastverteilung? 

Es gibt keinen "besten" Algorithmus. Die optimale Wahl hängt stark von den spezifischen Bedürfnissen und Eigenschaften Ihres Systems ab. Zu berücksichtigende Faktoren sind: Verkehrsmuster, Serverfähigkeiten und Anwendungsanforderungen.

Aus dem Gleichgewicht?

Lastverteilungsalgorithmen erhalten grundlegend die Effizienz und Zuverlässigkeit moderner Anwendungen und Websites. Sie arbeiten hart daran, sicherzustellen, dass kein einzelner Server überlastet wird, damit Unternehmen weltweit einen reibungslosen und ununterbrochenen Service für Benutzer bieten können. Ob Sie eine Cloud-Umgebung verwalten oder ein geschäftiges E-Commerce-Geschäft betreiben, Lastverteilung wird die Benutzererfahrung bereichern. 

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