كيف يقلل توزيع الحمل من ضغط الخوادم؟
مع نمو الخدمات الرقمية، تتزايد الحاجة إلى تحسين خصائص مثل قابلية التوسع، وسرعة الاستجابة، والأداء، والتوافر، لتصبح أمرًا حاسمًا. إحدى الطرق الفعالة لتحقيق ذلك هي إنشاء نُسخ متماثلة من الخدمة وتوزيع الطلبات على الخوادم بشكل متساوٍ بين جميع النُسخ.
هذه العملية، المعروفة بتوزيع الحمل، تعتمد على برمجيات أو أجهزة متطورة تُعرف بموزعات الحمل. يتبع كل موزع حمل مجموعة من القواعد لاختيار أفضل خادم من مجموعة الخوادم لتلبية طلب العميل.
سنتعرف في هذا المقال على أنواع موزعات الحمل المختلفة، وخوارزميات توزيع الحمل الثابتة والديناميكية، وكيفية تقليل الضغط على الخوادم من خلال هذه العملية.
ما هو توزيع الحمل؟
توزيع الحمل هو عملية توزيع الطلبات على خوادم متعددة لضمان الأداء الأمثل وتجنب التحميل الزائد على خادم واحد. يتم ذلك باستخدام موزعات الحمل، وهي أجهزة أو برمجيات تُوجه طلبات العملاء إلى الخوادم بناءً على خوارزميات محددة. الهدف الأساسي هو تحسين استغلال الموارد، وزيادة الموثوقية، وتقليل زمن الاستجابة، مما يُسهم في تقليل مخاطر تعطل النظام وتحسين تجربة المستخدم، خاصة في التطبيقات التي تتطلب معالجة سريعة، مثل مواقع التجارة الإلكترونية وخدمات البث.
أنواع توزيع الحمل
تتعدد أنواع موزعات الحمل بناءً على طريقة عملها والتكنولوجيا المستخدمة، وكل نوع يناسب احتياجات محددة لتوزيع الطلبات على الخوادم بكفاءة.
1. توزيع الحمل باستخدام SDN (الشبكات المعرفة بالبرمجيات)
يستخدم توزيع الحمل باستخدام SDN فصل مستوى التحكم عن مستوى البيانات لتوفير التطبيقات. يتيح ذلك التحكم في عدة موزعات حمل، مما يجعل الشبكة تعمل كنُسخ افتراضية للحوسبة والتخزين. ومع التحكم المركزي، يمكن برمجة سياسات الشبكة ومعاييرها مباشرة لتقديم خدمات تطبيقات أكثر استجابة وكفاءة، مما يجعل الشبكات أكثر مرونة. يُسهم هذا الأسلوب في توزيع الطلبات على الخوادم بطريقة مرنة وذكية، مما يعزز كفاءة الشبكة.
2. توزيع الحمل باستخدام UDP
يعمل موزع الحمل باستخدام بروتوكول UDP (User Datagram Protocol) لنقل البيانات دون إنشاء اتصال مباشر بين الطرفين.
يُستخدم هذا النوع غالبًا في البث المباشر والألعاب عبر الإنترنت حيث تكون السرعة أولوية ولا حاجة كبيرة إلى تصحيح الأخطاء. يتميز UDP بانخفاض زمن التأخير لأنه لا يتضمن فحوصات صحة تستغرق وقتًا طويلًا.
3. توزيع الحمل باستخدام TCP
يعتمد موزع الحمل على بروتوكول TCP (Transmission Control Protocol) في إدارة حركة البيانات. يوفر توزيع الطلبات على الخودام باستخدام TCP تدفقًا موثوقًا ومصححًا للأخطاء لحزم البيانات إلى عناوين IP، التي قد تُفقد أو تتلف بسهولة دون هذا البروتوكول.
4. توزيع الحمل على الخوادم (SLB)
يوفر توزيع الحمل على الخوادم (Server Load Balancing - SLB) خدمات الشبكة وتوصيل المحتوى باستخدام مجموعة من خوارزميات توزيع الحمل. يمنح الأولوية للاستجابة للطلبات المحددة من العملاء عبر الشبكة، مما يضمن توصيل تطبيقات متسقة وعالية الأداء.
5. توزيع الحمل الافتراضي
يهدف توزيع الحمل الافتراضي إلى محاكاة البنية التحتية المدعومة بالبرمجيات من خلال الافتراضية. يعمل بتشغيل برمجيات موزع حمل مادي على آلة افتراضية. ومع ذلك، لا تتجنب موزعات الحمل الافتراضية التحديات المعمارية للأجهزة التقليدية، مثل محدودية التوسع والأتمتة ونقص الإدارة المركزية.
6. توزيع الحمل المرن
يعمل توزيع الحمل المرن على توسيع نطاق حركة التطبيقات مع تغيُّر الطلب بمرور الوقت. يستخدم فحوصات صحة النظام لمعرفة حالة أعضاء مجموعة التطبيقات (الخوادم)، ويُوجه الطلبات إلى الخوادم المتاحة، ويدير التحويل في حالة الفشل إلى أهداف ذات توافر عالٍ، أو يُنشئ سعة إضافية تلقائيًا.
7. توزيع الحمل الجغرافي
يعيد توزيع الحمل الجغرافي توزيع الطلبات على الخوادم عبر مراكز بيانات في مواقع مختلفة لتحقيق أقصى كفاءة وأمان. بينما يتم توزيع الحمل المحلي داخل مركز بيانات واحد، يستخدم التوزيع الجغرافي عدة مراكز بيانات في مواقع متعددة.
8. توزيع الحمل متعدد المواقع
يُعرف توزيع الحمل متعدد المواقع، أو توزيع الحمل على الخوادم العالمية (GSLB)، بتوزيع الطلبات على خوادم موجودة في مواقع متعددة حول العالم. يمكن أن تكون الخوادم محلية أو مستضافة في سحابة عامة أو خاصة. يُعد هذا النوع مهمًا لاستعادة الكوارث بسرعة وضمان استمرارية الأعمال بعد تعطل خادم في موقع معين.
9. توزيع الحمل كخدمة (LBaaS)
يستخدم توزيع الحمل كخدمة (Load Balancer as a Service - LBaaS) تقنيات متقدمة لتوزيع الطلبات على الخوادم لتلبية متطلبات المرونة وحركة التطبيقات للمؤسسات التي تُنفذ بنية تحتية سحابية خاصة. باستخدام نموذج الخدمة، يوفر LBaaS وسيلة بسيطة لفرق التطبيقات لإنشاء موزعات حمل بسرعة.
أنواع خوارزميات توزيع الحمل
خوارزميات توزيع الحمل الثابتة
في الحالات التي يكون فيها النظام مستقرًا ومتجانسًا، وتظل حركة الطلبات ثابتة نسبيًا، تكون خوارزميات توزيع الحمل الثابتة فعالة جدًا. تُحدد هذه الخوارزميات قواعد توزيع الطلبات على الخودام عند التصميم، وتعمل بشكل مستقل عن حالة النظام أثناء التشغيل.
1. التوزيع الدوري (Round Robin)
تعمل هذه الخوارزمية على توزيع الطلبات على الخوادم بشكل دوري. بدلاً من الاعتماد على برمجيات أو أجهزة متخصصة، تستخدم خادم أسماء موثوق، مثل نظام أسماء النطاقات (DNS)، لإرجاع عنوان IP مختلف من القائمة لكل طلب. تفترض هذه الطريقة أن جميع الخوادم لها نفس الأداء.
2. التوزيع الدوري الموزون (Weighted Round Robin)
هذه الخوارزمية تطوير للتوزيع الدوري، حيث يُخصَّص لكل خادم وزن بناءً على أولويته أو سعته. تتلقى الخوادم ذات الأوزان الأعلى طلبات أكثر مقارنة بتلك ذات الأوزان الأقل. تُوزع الطلبات بشكل دوري، مما يسمح للخوادم ذات السعة الأكبر بمعالجة المزيد من الطلبات. يُسهم هذا الأسلوب في توزيع الطلبات على الخوادم بناءً على قدراتها الفعلية.
3. التجزئة بناءً على عنوان IP (IP Hash)
تستخدم هذه الخوارزمية دالة تجزئة لتحويل عنوان IP الخاص بالعميل إلى رقم يُربط بخادم معين. تأخذ دالة التجزئة في الاعتبار عوامل مثل عدد الخوادم وتوافرها وأوزانها عند إنشاء الرقم.
خوارزميات توزيع الحمل الديناميكية
في الحالات التي تكون فيها حالة النظام غير متجانسة وتتغير أنماط الطلبات بشكل متكرر، تكون خوارزميات توزيع الحمل الديناميكية أكثر فعالية. تُحدد هذه الخوارزميات قواعد توزيع الطلبات على الخوادم بناءً على حالة النظام قبل التشغيل وأثناءه، وتُعدل التوزيع في الوقت الفعلي بناءً على فحص مستمر لحالة النظام.
1. أقل الاتصالات (Least Connection)
في هذا الأسلوب، يُحدد موزِع الحمل الخادم الذي لديه أقل عدد من الاتصالات المفتوحة في وقت طلب العميل، ويُوجوجه الطلب إليه. على غرار التوزيع الدوري، تفترض هذه الطريقة أن جميع الخوادم لها نفس القدرات الأدائية.
2. أقل الاتصالات الموزون (Weighted Least Connection)
هذه الخوارزمية تطوير لخوارزمية أقل الاتصالات، حيث يُخصص لكل خادم وزن بناءً على أولويته أو سعته. تتلقى الخوادم ذات الأوزان الأعلى طلبات أكثر مقارنة بتلك ذات الأوزان الأقل. على سبيل المثال، إذا كانت جميع الخوادم لها نفس عدد الاتصالات، يتم اختيار الخادم ذو الوزن الأعلى لتوزيع الطلبات على الخوادم بكفاءة أكبر بناءً على قدراتها.
3. أقل زمن الاستجابة (Least Response Time)
تعتمد هذه الخوارزمية على زمن استجابة كل خادم وعدد الاتصالات النشطة لتحديد الخادم الأسرع. تكفل هذه الطريقة معالجة جميع طلبات العملاء بأقل تأخير ممكن.
4. بناءً على الموارد (Resource Based)
يعمل كل خادم في المجموعة ببرمجية تُعرف بالوكيل، تجمع معلومات في الوقت الفعلي عن حمل الخادم بناءً على المعالج والذاكرة المتاحة. يُشارك الوكيل هذه المعلومات مع موزع الحمل، الذي يستخدمها لتحديد أفضل خادم لديه موارد كافية لمعالجة طلب العميل، ويُوجه الطلب وفقًا لذلك.
ختام
توزيع الحمل عنصر أساسي في تصميم الأنظمة الرقمية الحديثة، حيث يلعب دورًا حيويًا في تحسين الأداء وضمان تجربة مستخدم سلسة. من خلال استخدام موزعات الحمل وخوارزمياتها المتنوعة، سواء الثابتة أو الديناميكية، يمكن للشركات توزيع الطلبات على الخوادم بكفاءة، سواء على مستوى مركز بيانات واحد أو عبر مواقع جغرافية متعددة.
لا يُقلل توزيع الطلبات على الخوادم بذكاء من الضغط على الموارد فحسب، بل يعزز أيضًا مرونة النظام وقدرته على التكيف مع التغيرات.