O que são algoritmos de balanceamento de carga? Tudo o que você precisa saber

Imagine um anfitrião de restaurante acomodando os convidados que chegam em diferentes partes do restaurante para distribuir a carga de trabalho entre os garçons. O anfitrião visa garantir que nenhum garçom se sinta sobrecarregado ou se torne responsável por mais mesas do que pode lidar. Esse processo também significa que os convidados recebem um serviço pontual.

Nos serviços de nuvem, os algoritmos de balanceamento de carga funcionam da mesma forma. Administradores de rede e gerentes de TI usam software de balanceamento de carga para distribuir recursos para sites e aplicativos, de modo que eles obtenham o máximo de seus recursos. 

O objetivo principal é evitar que qualquer servidor fique sobrecarregado, garantindo desempenho ideal, alta disponibilidade e utilização eficiente dos recursos.  

Como funciona o balanceamento de carga?

Todos os dias, bilhões de pessoas acessam aplicativos modernos pela internet. Os aplicativos geralmente são executados em vários servidores. Ferramentas de balanceamento de carga facilitam a distribuição de tarefas para evitar que qualquer servidor fique sobrecarregado e desacelere ou, pior, trave. Isso ajuda a distribuir o trabalho de forma equilibrada entre vários servidores para que os usuários possam acessar aplicativos sem atrasos ou interrupções. 

Para que isso aconteça, os desenvolvedores criaram balanceadores de carga, dispositivos ou programas de software responsáveis pela distribuição de tráfego. Os administradores de rede os colocam entre os usuários e os servidores. Quando um usuário tenta se conectar a um aplicativo, o balanceador de carga analisa a solicitação e escolhe o servidor mais adequado. 

O processo funciona nos bastidores, invisível para os usuários, de modo que eles não veem suas solicitações passando pelos balanceadores de carga. Em vez disso, eles pedem várias páginas da web e recebem os resultados enquanto o balanceador de carga trabalha para apresentar as páginas que solicitam – quase como mágica. 

Você pode comparar o balanceamento de carga à responsabilidade de um condutor de tráfego (exceto que um diretor de tráfego é visível e os balanceadores de carga não são). Pense em um cruzamento movimentado que está em construção sem semáforos operando. Sem um controlador de tráfego, os carros podem não se revezar ao passar pelo cruzamento, o que eventualmente levará a acidentes e engarrafamentos. 

O diretor de tráfego guia os veículos pelo cruzamento em intervalos razoáveis, equilibrando a carga de tráfego para garantir que tudo flua suavemente e para reduzir a probabilidade de acidentes. Neste exemplo, o diretor de tráfego é o balanceador de carga, os carros são as tarefas que os usuários solicitam e as estradas são os servidores. 

Benefícios do balanceamento de carga

O balanceamento de carga aumenta a eficiência, confiabilidade e escalabilidade dos sistemas que gerenciam tráfego intenso, resultando em uma experiência aprimorada para o usuário. Os algoritmos de balanceamento de carga oferecem vários benefícios principais:

• Desempenho melhorado: Ao distribuir o tráfego por vários servidores, o balanceamento de carga minimiza os tempos de espera para os usuários, levando a uma experiência mais rápida e responsiva. Lidar com várias solicitações simultaneamente aumenta a capacidade e eficiência geral do sistema, levando a um desempenho melhorado.  
• Tolerância a falhas: Se um servidor falhar, os algoritmos de balanceamento de carga redirecionam o tráfego de forma contínua para outros servidores disponíveis, garantindo tempo de inatividade mínimo e serviço ininterrupto.   
• Escalabilidade: Adicionar novos servidores ao conjunto é simples, permitindo uma fácil escalabilidade para acomodar o aumento das demandas de tráfego.   
• Otimização de recursos: O balanceamento de carga previne gargalos de recursos ao distribuir a carga de trabalho de forma equilibrada, maximizando o uso dos recursos disponíveis.   
• Custos reduzidos: Ao utilizar eficientemente o hardware existente, as organizações podem potencialmente reduzir a necessidade de atualizações caras de servidores.

Tipos de algoritmos de balanceamento de carga 

Os algoritmos de balanceamento de carga se dividem em dois tipos: estáticos ou dinâmicos. Vamos aprender mais sobre os tipos de algoritmos de balanceamento de carga. 

Algoritmos de balanceamento de carga estáticos 

Os algoritmos de balanceamento de carga estáticos seguem regras fixas para distribuir o tráfego de forma equilibrada entre os servidores. Em vez de considerar o estado atual ou a carga dos servidores, eles se baseiam em regras predeterminadas. Devido à sua simplicidade, os algoritmos de balanceamento de carga estáticos são geralmente mais fáceis de implementar do que os dinâmicos. No entanto, eles nem sempre lidam de forma eficiente com várias cargas de servidores. 

Abaixo estão alguns dos algoritmos de balanceamento de carga estáticos padrão. 

Método round-robin

Na distribuição round-robin, os balanceadores de carga distribuem as solicitações de usuários que chegam entre os servidores em ordem rotativa. O balanceador de carga percorre uma lista de servidores até chegar ao final. Então, o processo começa novamente, e o balanceador de carga começa a atribuir solicitações no topo da lista na mesma ordem. Lembre-se de que todos os algoritmos estáticos, incluindo o método round-robin, assumem que todos os servidores estão disponíveis, independentemente da capacidade. 

Exemplos:

• Sites de pequenas empresas: Distribuindo o tráfego por alguns servidores com configurações semelhantes.  
   
• Aplicativos web básicos: Onde a distribuição uniforme de solicitações é suficiente para manter o desempenho. 

Método round-robin ponderado

Um round-robin ponderado utiliza métodos mais avançados do que uma atribuição round-robin tradicional. Em vez de distribuição igual, um algoritmo ponderado permite que você atribua pesos a cada servidor, geralmente com base na capacidade do servidor. O balanceador de carga usa os pesos atribuídos para alocar solicitações de acordo. 

Servidores com pesos mais altos recebem uma proporção maior das solicitações que chegam. A distribuição é rotativa, semelhante à técnica round-robin tradicional, mas os servidores recebem solicitações proporcionais ao seu peso ao longo do ciclo. 

Exemplos:

• Fazendas de servidores com servidores de diferentes especificações: Distribuindo o tráfego com base na capacidade do servidor, garantindo que servidores mais potentes lidem com uma parte maior da carga de trabalho.  
   
• Ambientes de nuvem: Distribuindo o tráfego entre máquinas virtuais com alocações de recursos variadas.

Método de hash de IP

O balanceador de carga usa o método de hash de IP para gerar um valor de hash a partir do endereço IP do usuário. Em seguida, ele pega o valor de hash e atribui o cliente a um servidor específico. Todas as solicitações desse cliente estão associadas ao seu hash, e o balanceador de carga enviará o usuário para o mesmo servidor a cada nova solicitação. 

Exemplos:

• Aplicativos de banco online: Mantendo sessões de usuários e garantindo transações seguras.
• Sites de e-commerce: Preservando o conteúdo do carrinho de compras e as preferências do usuário.
• Servidores de jogos online: Mantendo o estado do jogo e as conexões dos jogadores.

Algoritmos de balanceamento de carga dinâmicos 

Ao contrário dos algoritmos de balanceamento de carga estáticos, os algoritmos de balanceamento de carga dinâmicos examinam o estado atual dos servidores antes de distribuir o tráfego de rede que chega. Embora mais complexos, esses algoritmos têm um desempenho melhor para distribuição eficiente de recursos e gerenciamento de carga de servidores. Abaixo estão alguns algoritmos típicos de balanceamento de carga dinâmicos. 

Método de menor conexão

Quando os clientes se conectam a um servidor, eles estabelecem uma conexão ativa para se comunicar. Quando um balanceador de carga usa o método de menor conexão, ele analisa os servidores para determinar quais têm o menor número de conexões ativas e envia o tráfego que chega para eles. Este método assume que os servidores com menos conexões têm a maior capacidade disponível.

Exemplos:

• Servidores web lidando com conteúdo dinâmico: Onde os tempos de processamento de solicitações podem variar significativamente com base na complexidade da solicitação.
• Aplicativos com conexões de longa duração: Como servidores de banco de dados ou serviços de streaming.

Método de menor conexão ponderada

O método de menor conexão ponderada é uma configuração avançada de algoritmos de menor conexão. Como a versão estática do método round-robin ponderado, você pode atribuir pesos a cada servidor com este algoritmo. O balanceador de carga distribuirá novas solicitações para o servidor com menos conexões por capacidade ponderada.

Exemplos:

• Ambientes de nuvem com máquinas virtuais de tamanhos variados: Distribuindo o tráfego com base nos recursos alocados a cada VM.
• Fazendas de servidores com servidores de diferentes especificações: Priorizando servidores mais potentes enquanto considera a carga atual em cada servidor.

Método de menor tempo de resposta

O tempo de resposta significa o tempo que um servidor leva para processar uma solicitação que chega e enviar uma resposta de volta ao usuário. O método de menor tempo de resposta avalia os tempos de resposta dos servidores para que o balanceador de carga direcione as solicitações que chegam para o servidor que responde mais rapidamente.

Exemplos:

• Servidores de jogos: Onde a baixa latência é crucial para uma experiência de jogo suave e agradável.
• Aplicativos de comunicação em tempo real: Como videoconferências ou jogos online, onde atrasos podem impactar significativamente a experiência do usuário.
• Clusters de computação de alto desempenho: Onde minimizar os tempos de conclusão dos trabalhos é crítico.

Método baseado em recursos

No método baseado em recursos, os balanceadores de carga distribuem o tráfego analisando os servidores atuais. Os balanceadores de carga procuram um servidor com recursos suficientes antes de enviar qualquer dado.

Exemplos:

• Servidores de banco de dados: Distribuindo conexões de banco de dados com base na carga do servidor e nos recursos disponíveis.
• Clusters de computação de alto desempenho: Distribuindo trabalhos para nós com os recursos mais disponíveis.

Top 5 programas de software de balanceamento de carga

O software de balanceamento de carga distribui recursos e tráfego que chega para aplicativos e sites, a fim de ajudar administradores de rede e gerentes de TI a controlar recursos de forma eficiente. 

Para se qualificar para inclusão na categoria de balanceamento de carga do G2, um produto deve:

• Monitorar o tráfego da web e distribuir recursos
• Escalar cargas de trabalho de infraestrutura para corresponder ao tráfego
• Fornecer ou integrar com serviços de failover e backup

Abaixo estão as cinco principais plataformas de balanceamento de carga do Relatório Grid® de Verão de 2024 do G2. Algumas avaliações podem ser editadas para clareza. 

1. HAProxy

HAProxy alimenta a entrega de aplicativos modernos em escala em qualquer ambiente. Ele oferece métodos abrangentes de balanceamento de carga, incluindo round robin, menos conexões e várias técnicas de hash. Os usuários podem ativar decisões de roteamento avançadas com base em URL, nome de domínio, extensão de arquivo, endereço IP ou conexões ativas. 

O que os usuários mais gostam:

“Migramos do balanceador de carga Snapt (baseado em software) para o HAProxy Enterprise (baseado em software). Isso também veio com o HAProxy Fusion. O HAProxy tem sido performático e estável em todos os clientes que atendemos e permite alterações de configuração que não impactam nossos clientes. Isso foi um grande avanço para nossa estabilidade e confiança em nossa solução. Como é baseado em software, incorporamos facilmente a solução em nossa solução de recuperação de desastres.

O produto tem um preço muito competitivo e recebemos um suporte fenomenal. Eu recomendaria altamente este produto.”

- Avaliação do HAProxy, Nathan H. 

O que os usuários não gostam:

“Gostaria de uma interface de usuário (UI) mais aprofundada na versão de código aberto.”

- Avaliação do HAProxy, Colin C. 

2. Segurança e Desempenho de Aplicativos Cloudflare

A solução de balanceamento de carga da Segurança e Desempenho de Aplicativos Cloudflare garante alto desempenho, tempo de atividade e qualidade da experiência do usuário ao equilibrar o tráfego entre servidores e data centers distribuídos geograficamente. Com esta plataforma dinâmica, os usuários podem gerenciar o tráfego em vários protocolos para personalizar a configuração e atender às suas necessidades de negócios. 

O que os usuários mais gostam:

“Os recursos abrangentes do Cloudflare aumentam a velocidade do seu site e o protegem de várias ameaças online. 

O Cloudflare também fornece certificados de camada de soquete seguro (SSL) gratuitos para transmissão segura de dados, otimiza imagens para carregamento mais rápido e simplifica arquivos por meio de minificação. Cache de navegador, WebSockets para comunicação em tempo real, balanceamento de carga, limitação de taxa, roteamento de rede otimizado, regras de página para personalização e o recurso AMP Real URL para manter sua identidade de marca nos resultados do Google AMP fazem parte do robusto conjunto de ferramentas do Cloudflare para otimizar e proteger seu site.”

- Avaliação da Segurança e Desempenho de Aplicativos Cloudflare, Chandra Shekhar T. 

O que os usuários não gostam:

“Até agora, não há nada que eu não goste. No entanto, eles podem melhorar a linguagem em sua UI, que está cheia de jargões para técnicos. Ou eles poderiam oferecer uma visão de UI simples para não técnicos e uma visão avançada para técnicos.”

- Avaliação da Segurança e Desempenho de Aplicativos Cloudflare, Jay K. 

3. F5 NGINX Ingress Controller

F5 NGINX Ingress Controller usa uma ferramenta universal do Kubernetes para implementar gateways de interface de programação de aplicativos (API) e balanceadores de carga. Ele fornece proteção de aplicativos em escala por meio de controles de segurança robustos e ambientes distribuídos, e previne o tempo de inatividade de aplicativos por meio de padrões avançados de conectividade e processos de solução de problemas. 

O que os usuários mais gostam:

“Reduziu a complexidade do tráfego de aplicativos do Kubernetes. O F5 NGINX Ingress Controller simplifica o gerenciamento e a otimização do fluxo de tráfego para seus aplicativos Kubernetes e fornece recursos avançados de rede e segurança para garantir sua confiabilidade e segurança.”

- Avaliação do F5 NGINX Ingress Controller, Shubham S. 

O que os usuários não gostam:

“Ao considerar o F5, é importante pesar os benefícios, como gerenciamento avançado de tráfego e recursos de segurança, contra possíveis desvantagens, como custo e complexidade. Embora seja uma solução confiável para gerenciar o tráfego de entrada do Kubernetes, os usuários podem precisar investir tempo e recursos para aprendê-lo e implementá-lo efetivamente.”

- Avaliação do F5 NGINX Ingress Controller, Bhargav N. 

4. Kemp LoadMaster

Kemp LoadMaster oferece balanceadores de carga para balanceamento de alto desempenho e entrega de aplicativos. Ele fornece balanceadores de carga de implantação de hardware, virtual e nativo em nuvem para atender a necessidades variadas. As soluções Kemp LoadMaster também vêm com uma extensa biblioteca de modelos de implantação de aplicativos. 

O que os usuários mais gostam:

“Kemp Loadmaster é um sistema flexível, sólido e confiável. O suporte ao cliente é tremendo, e eu recomendo obter uma boa manutenção de suporte.”

- Avaliação do Kemp LoadMaster, Anthony C. 

O que os usuários não gostam:

“Kemp LoadMaster é um pouco mais caro do que outras soluções de balanceamento de carga no mercado.” 

- Avaliação do Kemp LoadMaster, Tony W. 

5. F5 NGINX Plus

F5 NGINX Plus é um gateway de API, cache de conteúdo, balanceador de carga e servidor web tudo-em-um com recursos de nível empresarial. O balanceador de carga NGINX Plus é de alto desempenho e leve para várias necessidades de operações de rede e desenvolvimento.

O que os usuários mais gostam:

“F5 NGINX Plus é uma das melhores plataformas de monitoramento de API e aprimoramento de segurança que simplifica a modernização de aplicativos legados e a entrega de aplicativos de microsserviços para empresas em transformação digital.”

- Avaliação do F5 NGINX Plus, Manya V. 

O que os usuários não gostam:

“O teste atual é de 30 dias para o NGINX Plus e deveria ter sido de pelo menos 90 dias para que a plataforma entendesse como seria o retorno sobre o investimento se fosse adquirida.”

- Avaliação do F5 NGINX Plus, Mohammad S. 

Balanceamento de carga: Perguntas frequentes (FAQs)

O que é o algoritmo aleatório para balanceamento de carga?

O algoritmo "aleatório" distribui solicitações que chegam aleatoriamente entre os servidores disponíveis. É uma abordagem simples que pode ser eficaz em algumas situações, mas não considera a carga do servidor ou outros fatores.

Qual algoritmo é melhor para dados desequilibrados?

Para dados desequilibrados, algoritmos que consideram a carga ou o desempenho do servidor são geralmente preferidos. Menos conexões e Menor tempo de resposta podem ser boas escolhas, pois se adaptam dinamicamente às condições do servidor em mudança.

O que é afinidade de sessão e por que é importante?

A Afinidade de Sessão garante que as solicitações do mesmo usuário sejam sempre direcionadas ao mesmo servidor. Importante para aplicativos que dependem de dados de sessão (por exemplo, carrinhos de compras online, logins de usuários).  

Como os balanceadores de carga lidam com falhas de servidor?

Os balanceadores de carga lidam com falhas de servidor por meio de verificações regulares de integridade, removendo automaticamente servidores não saudáveis e failover.

Qual algoritmo é melhor para balanceamento de carga? 

Não existe um "melhor" algoritmo. A escolha ideal depende muito das necessidades e características específicas do seu sistema. Fatores a considerar incluem: padrões de tráfego, capacidades do servidor e requisitos do aplicativo.

Fora de equilíbrio?

Os algoritmos de balanceamento de carga fundamentalmente mantêm a eficiência e a confiabilidade de aplicativos e sites modernos. Eles trabalham arduamente para garantir que nenhum servidor fique sobrecarregado, para que as empresas possam fornecer um serviço contínuo e ininterrupto para usuários em todo o mundo. Quer você gerencie um ambiente de nuvem ou administre um negócio de e-commerce movimentado, o balanceamento de carga enriquecerá a experiência do usuário. 

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