Cloud Load Balancing

Was ist Cloud Load Balancing?

Cloud Load Balancing ist der Prozess der Verteilung von Arbeitslasten auf Rechenressourcen in einer Cloud-Computing-Umgebung und der sorgfältige Ausgleich des Netzwerkverkehrs, der auf diese Ressourcen zugreift. Es handelt sich um einen vollständig verteilten, softwaredefinierten verwalteten Dienst, der viele Protokolle wie HTTPS, TCP, Secure Sockets Layer (SSL) und User Datagram Protocol (UDP) verarbeiten kann.

Mit Cloud Load Balancing können Unternehmen ein hohes Leistungsniveau zu potenziell niedrigeren Kosten als mit herkömmlichen Load-Balancing-Technologien erreichen. Cloud Load Balancing nutzt die Skalierbarkeit und Agilität der Cloud, um die Anforderungen verteilter Arbeitslasten mit einer hohen Anzahl von Client-Verbindungen zu erfüllen. Außerdem wird die Gesamtverfügbarkeit verbessert, während der Durchsatz erhöht und die Latenzzeit minimiert wird.

Neben der Verteilung der Arbeitslast und des Datenverkehrs bieten Cloud-Load-Balancing-Services in der Regel weitere Funktionen, wie zum Beispiel Zustandsprüfungen für Anwendungen, automatische Skalierung, Failover und integriertes Zertifikatsmanagement.

Wie funktioniert das Cloud Load Balancing?

Mit Cloud Load Balancing können Unternehmen die Anforderungen an die Arbeitslast erfüllen, indem sie den eingehenden Datenverkehr über mehrere Server, Netzwerke oder andere Ressourcen leiten und gleichzeitig die Anwendungsleistung verbessern und vor Unterbrechungen der Dienste schützen. Sie ermöglicht auch die Verteilung von Arbeitslasten über zwei oder mehr geografische Regionen.

Im Gegensatz zum Server Load Balancing, bei dem der Datenverkehr auf ein Cluster von Servern in einem einzigen Rechenzentrum verteilt wird, werden beim Cloud Load Balancing die Arbeitslasten in der Regel auf Server in einer Cloud-Umgebung verteilt, die von einem einzigen Cloud-Anbieter verwaltet wird. Viele moderne Anwendungen stützen sich jedoch auf eine Multi-Cloud- oder Hybrid-Cloud-Infrastruktur, bei der der Datenverkehr auf verschiedene Cloud-Anbieter aufgeteilt wird. Das ist notwendig, da die Verteilung des Datenverkehrs zwischen Cloud-Servern innerhalb einer einzigen Cloud in der Regel nicht ausreicht, um die Leistung zu verbessern, und sowohl die Kosten als auch die Leistung verringern kann.

Das Cloud Load Balancing verfolgt einen softwarebasierten Ansatz zur Verteilung des Netzwerkverkehrs auf die Ressourcen, im Gegensatz zum hardwarebasierten Load Balancing, das eher in Unternehmensrechenzentren üblich ist. Ein Load Balancer empfängt den eingehenden Datenverkehr und leitet diese Anforderungen auf der Grundlage einer konfigurierten Richtlinie an aktive Ziele weiter. Ein Load-Balancing-Service überwacht auch den Zustand der einzelnen Targets, um sicherzustellen, dass diese Ressourcen voll funktionsfähig sind.

Funktionen des Cloud Load Balancing

Cloud Load Balancing bietet eine Vielzahl von Funktionen für Cloud-Umgebungen. Einige der allgemeinen Funktionen sind die folgenden:

• einzelne Anycast-IP-Adresse: Beim Cloud Load Balancing kann eine Anycast-Methode verwendet werden, bei der eine einzige IP-Adresse von mehreren Servern gemeinsam genutzt wird. Eine einzelne Anycast-IP-Adresse dient als Frontend für Backend-Instanzen, die sich an verschiedenen globalen Standorten befinden. Diese IP-Adresse erleichtert das Disaster Recovery durch automatisches Failover über mehrere Regionen hinweg und Load Balancing, indem der Datenverkehr auf alternative Backends umgeleitet wird, wenn das primäre Backend Probleme mit der Zuverlässigkeit hat.
• Verteilung der Ressourcen: Um zu verhindern, dass eine einzelne Ressource überlastet wird, teilen Cloud Load Balancer den eingehenden Datenverkehr gleichmäßig auf mehrere Server oder Ressourcen auf.
• nahtlose automatische Skalierung: Beim Load Balancing in der Cloud ist eine automatische Skalierung gewährleistet, so dass Verkehrsspitzen problemlos bewältigt werden können. Durch die Umleitung des Datenverkehrs in verschiedene Regionen der Welt werden erhebliche, unerwartete und plötzliche Spitzen im Datenverkehr bewältigt. Ein weiterer Vorteil der automatischen Skalierung besteht darin, dass die Notwendigkeit einer Vorwärmung entfällt, da die Skalierung sofort von keinem Verkehr auf vollen Verkehr erfolgt.
• Zertifikatsverwaltung: Viele Load-Balancing-Dienste in der Cloud bieten eine integrierte Zertifikatsverwaltung, die die Verwaltung von SSL/Transport-Layer-Security-Zertifikaten für sichere Verbindungen vereinfacht.
• Monitoring und Analyse: Cloud-basiertes Load Balancing bietet Analyse- und Überwachungs-Tools in Echtzeit, um die Leistung von Servern und die Verteilung des Datenverkehrs zu verfolgen, was bei der Optimierung von Konfigurationen hilft.
• Unterstützung für erweiterte Funktionen: Cloud Load Balancing unterstützt in der Regel erweiterte Funktionen wie IPv6 Load Balancing, WebSockets, benutzerdefinierte Anfrage-Header, Source-IP-basierte Verkehrssteuerung, gewichtetes Load Balancing und Protokollweiterleitung für private virtuelle IP-Adressen.

Die Integration mit einem CDN ist auch für die Verteilung von zwischengespeicherten Inhalten vorgesehen, da sowohl der traditionelle Application Load Balancer als auch der globale externe Application Load Balancer Cloud CDN unterstützen.

Techniken und Algorithmen für das Load Balancing in der Cloud

Cloud-Load-Balancing-Algorithmen sind wesentliche Bestandteile von Cloud-Computing-Umgebungen, da sie eine optimale Ressourcennutzung gewährleisten. Diese Algorithmen werden häufig in zwei Kategorien unterteilt: statisch und dynamisch.

Statische Algorithmen

Beim Cloud Computing sorgen statische Load-Balancing-Verfahren für die Verteilung des Datenverkehrs, ohne den aktuellen Zustand der einzelnen Server zu berücksichtigen. Diese Algorithmen werden in der Regel auf Systeme angewendet, bei denen Lastschwankungen vernachlässigbar sind.

Zu den üblichen statischen Algorithmen beim Cloud Computing gehören die folgenden:

• Rundlaufverfahren (Round Robin): Der Round-Robin-Algorithmus verteilt den Datenverkehr gleichmäßig auf alle Server in einer Gruppe, entweder nach dem Zufallsprinzip oder in einer vorgegebenen Reihenfolge.
• gewichtetes Round-Robin-Verfahren: Bei diesem Algorithmus werden die Server je nach ihren Fähigkeiten gewichtet. Server mit höherer Gewichtung bearbeiten einen größeren Anteil der Kundenanfragen.
• geringste Verbindung: Um die Arbeitslast gleichmäßig zu verteilen, leitet dieser Algorithmus Client-Anfragen an den Server mit den wenigsten aktiven Verbindungen weiter.
• IP-Hash: Der IP-Hash-Algorithmus bestimmt anhand der IP-Adresse des Clients, an welchen Server die Anfrage gesendet werden soll. Er stellt sicher, dass die Anfragen von denselben Clients immer an denselben Server geleitet werden.

Dynamische Algorithmen

Beim dynamischen Load Balancing wird der Datenverkehr auf der Grundlage des Zustands der einzelnen Server verteilt. Diese Algorithmen sind so konzipiert, dass sie sich an wechselnde Arbeitslasten anpassen und eine effektive Nutzung der verfügbaren Ressourcen gewährleisten.

Zu den üblichen dynamischen Algorithmen, die beim Cloud Computing verwendet werden, gehören folgende:

• wenigste Verbindung: Dieser Algorithmus sendet Client-Anfragen an den Server, der zum Zeitpunkt der Anfrage die wenigsten aktiven Verbindungen hat, da er die Arbeitslast gleichmäßig auf die Server verteilen will.
• Round Robin mit gewichteter Antwortzeit: Bei dieser Methode werden die Server entsprechend ihrer Antwortzeiten gewichtet. Server mit kürzeren Antwortzeiten haben eine höhere Gewichtung und werden mit größerer Wahrscheinlichkeit Client-Anfragen annehmen.
• geringste Bandbreite: Dieser Algorithmus leitet Anfragen an Server weiter, die in letzter Zeit die geringste Bandbreite verbraucht haben.
• ressourcenbasiert: Bei diesem Algorithmus wird die Last entsprechend den auf den einzelnen Servern zu diesem Zeitpunkt verfügbaren Ressourcen verteilt. Jeder Server verfügt über eine spezielle Software, einen so genannten Agenten, der die verfügbare CPU und den Memory misst. Der Load Balancer fragt den Agenten ab, bevor er den Datenverkehr an ihn weiterleitet.

Vorteile des Load Balancing im Cloud Computing

Cloud Load Balancing spielt eine entscheidende Rolle beim Cloud Computing und bietet mehrere Vorteile. Zu den allgemeinen Vorteilen des Load Balancing in der Cloud gehören die folgenden:

• verbesserte Leistung: Um zu verhindern, dass ein einzelner Server überlastet wird, wird der eingehende Datenverkehr durch Load Balancing auf mehrere Server verteilt. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein einzelner Server als Engpass fungiert, und die Nutzung der verfügbaren Ressourcen wird optimiert. Außerdem werden die Antwortzeiten und die Gesamtleistung des Systems verbessert.
• verbesserte Skalierbarkeit: Cloud Load Balancing ermöglicht eine nahtlose Skalierbarkeit innerhalb von Cloud-Umgebungen. Wenn der Ressourcenbedarf steigt, können zusätzliche Server in den Serverpool aufgenommen werden, wobei der Load Balancer die Arbeitslast effektiv verteilt. Dank dieser Fähigkeit ist das System in der Lage, einen erhöhten Datenverkehr zu bewältigen und die wachsenden Anforderungen der Benutzer zu erfüllen.
• Hohe Verfügbarkeit: Load Balancing gewährleistet die Anwendungs- und Serviceverfügbarkeit, indem der Datenverkehr bei Ausfall eines Servers auf einen betriebsbereiten Server umgeleitet wird, um Ausfallzeiten zu minimieren und einen ununterbrochenen Service zu gewährleisten. Das ist besonders für Disaster-Recovery-Szenarien von Vorteil.
• leichtere Automatisierung: Das Cloud Balancing verbessert die Automatisierung, indem es Unternehmen in die Lage versetzt, nahezu in Echtzeit Einblick in Anwendungen zu erhalten und vorausschauende Analysen anzuwenden, um mögliche Engpässe vorherzusehen.
• geringere Kosten: Unternehmen können durch den Einsatz von softwarebasiertem Load Balancing in der Cloud Geld sparen, da es kostengünstiger ist als die Installation, Unterbringung, Konfiguration und Wartung von Load-Balancing-Maschinen vor Ort.
• verbesserte Zuverlässigkeit: Load Balancing in der Cloud verbessert die Zuverlässigkeit, da die Anwendungen über verschiedene globale Knotenpunkte gehostet werden. Wenn beispielsweise ein Schneesturm einen Stromausfall im Nordosten der USA verursacht, kann der Cloud Load Balancer den Datenverkehr von Cloud-Ressourcen, die in dieser Region gehostet werden, auf Ressourcen in anderen Teilen des Landes umleiten.
• Gesundheitsprüfungen: Cloud Load Balancer für Domain Name Systems (DNS) führen automatisch Routinewartungen durch, um sicherzustellen, dass Upstream-Server ordnungsgemäß funktionieren, und leiten den Datenverkehr automatisch auf gesunde Ursprungsserver um.
• erhöhte Sicherheit: Cloud Load Balancing kann die Auswirkungen von Sicherheitsangriffen wie Distributed Denial of Service (DDoS) verringern, indem der eingehende Datenverkehr auf mehrere Server verteilt und eine Überlastung eines einzelnen Servers vermieden wird. Darüber hinaus können Load Balancer so eingerichtet werden, dass sie die SSL-Terminierung verarbeiten, bei der der verschlüsselte Datenverkehr entschlüsselt wird, bevor er an die Webserver weitergeleitet wird. Das kann die Effizienz erhöhen, da der Server keine zusätzlichen CPU-Zyklen für die Entschlüsselung des Datenverkehrs aufwenden muss. Befindet sich der Load Balancer im selben Rechenzentrum wie die Webserver, kann das auch die Sicherheitsrisiken verringern.

Nachteile des Load Balancing im Cloud Computing

Cloud-basiertes Load Balancing bietet zwar zahlreiche Vorteile, hat aber auch einige Nachteile. Zu den häufigen Nachteilen des Load Balancing gehören die folgenden:

• begrenzte Anpassungsmöglichkeiten: Cloud-basiertes Load Balancing ist im Allgemeinen weniger anpassbar und verwaltbar, so dass Unternehmen bei der Verwaltung auf den Cloud-Anbieter angewiesen sind. Die Anpassung oder Feinabstimmung von Load-Balancer-Einstellungen kann beispielsweise für Unternehmen, die Load Balancing in der Cloud nutzen, eingeschränkt sein.
• Komplexität der Einrichtung: Die Einrichtung des Load Balancing in der Cloud kann sich als schwierig erweisen, insbesondere bei der Arbeit mit großen Systemen. Um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktioniert, sind unter Umständen sorgfältige Vorbereitungen und Planungen erforderlich.
• Kosten: Wenn für das Cloud Load Balancing spezielle Hardware oder Software verwendet wird, kann das die Gesamtkosten des Cloud Computing in die Höhe treiben. Auch das Verkehrsaufkommen und die Komplexität der Einrichtung können sich auf den Preis auswirken.
• potenzielle Sicherheitsprobleme: Wenn das Load Balancing nicht richtig konfiguriert ist, kann es Sicherheitsrisiken mit sich bringen, wie zum Beispiel die Möglichkeit des unbefugten Zugriffs oder die Preisgabe sensibler Kundendaten.
• mangelnde Transparenz: Einige Load-Balancing-Optionen bieten möglicherweise nur einen begrenzten Einblick in die zugrunde liegende Infrastruktur der Cloud-Computing-Umgebung, was die Fehlerbehebung und Leistungsoptimierung erschweren kann.

Was ist Cloud Load Balancing as a Service (LBaaS)?

Cloud Load Balancing as a Service (LBaaS) ist die Anwendung von Load-Balancing-Technologie innerhalb eines Cloud-Computing-Rahmens, bei dem Cloud-Anbieter Load Balancing als verwalteten Service anbieten. LBaaS ermöglicht es Unternehmen, Arbeitslasten auf verschiedene Server oder Ressourcen in der Cloud zu verteilen, wodurch Ausfallzeiten reduziert und die allgemeine Zuverlässigkeit erhöht werden.

Mit LBaaS können Kunden Load-Balancing-Services auf flexibler Basis mieten, ohne dass sie Upgrades konfigurieren und dedizierte Load-Balancing-Appliances vor Ort warten müssen. Stattdessen übernimmt der Cloud-Anbieter die Verwaltung des Load-Balancing-Services und verteilt die Arbeitslasten auf die in der Cloud-Umgebung laufenden Server.

Dieser Service gilt sowohl für private Cloud-Konfigurationen wie OpenStack als auch für öffentliche Cloud-Umgebungen wie Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure und die IBM Cloud.

Beispiele für Cloud-Load-Balancing-Dienste

Viele Cloud-Anbieter bieten Load-Balancing-Dienste an, darunter die folgenden Plattformen:

• AWS: AWS Elastic Load Balancing verteilt den eingehenden Client-Datenverkehr und leitet ihn an registrierte Ziele wie EC2-Instanzen weiter. Elastic Load Balancing unterstützt drei Arten von Lastverteilern: Anwendung, Netzwerk und Gateway. Die Load Balancer unterscheiden sich in den angebotenen Funktionen, den Netzwerkschichten, auf denen sie arbeiten, und den unterstützten Kommunikationsprotokollen.
• Google Cloud Platform (GCP): Der auf der Google Cloud Platform verfügbare Cloud-Load-Balancing-Service basiert auf der gleichen Frontend-Server-Infrastruktur, die auch Google betreibt. Der Service bietet eine Reihe von Load Balancern, die sich unter anderem danach richten, ob der Kunde externes oder internes Load Balancing, globalen oder regionalen Lastausgleich, Premium- oder Standard-Netzwerkservice-Ebenen, Proxy- oder Pass-Through-Services benötigt.
• Microsoft Azure: Azure bietet vier Load-Balancing-Dienste an. Azure Traffic Manager ist ein Layer 7 DNS-basierter OSI-Modell-Load-Balancer für die Bereitstellung von Diensten über globale Azure-Regionen hinweg. Azure Load Balancer ist ein Layer-4-Netzwerk-Load-Balancer für das Routing des Datenverkehrs zwischen virtuellen Maschinen. Azure Application Gateway ist ein Layer 7 Delivery Controller für regionale Anwendungen. Azure Front Door ist ein hochsicherer, globaler Layer-7-Load-Balancer für Microservices.
• Cloudflare: Cloudfare bietet mietbare Load-Balancing-Services für Kunden auf einer bedarfsgerechten Basis, wodurch die Notwendigkeit einer spezifischen Hardware On-Premises entfällt. Es handelt sich um einen herstellerneutralen Load Balancer, der sich leicht in eine Multi-Cloud-Umgebung integrieren lässt.

Neben den großen Cloud-Plattformen gibt es auch andere Cloud-Service-Anbieter, die Load-Balancing-Funktionen anbieten. Der Cloud Load Balancers Service von Rackspace beispielsweise ermöglicht es Kunden, Arbeitslasten über eine RESTful Web Service-Schnittstelle auf mehrere Backend-Systeme oder -Services zu verteilen.

Zu den Nutzern von Cloud Load Balancing gehören häufig Unternehmen mit umfangreichen Anwendungen, die eine hohe Verfügbarkeit und Leistung erfordern. Allerdings kann jedes Unternehmen von dieser Technologie profitieren, je nachdem, welche Arbeitslasten es unterstützen möchte.