موازنة التحميل (الحوسبة)

في الحوسبة ، موازنة التحميل هي عملية توزيع مجموعة من المهام على مجموعة من الموارد (وحدات الحوسبة)، بهدف جعل معالجتها الإجمالية أكثر كفاءة. يمكن لموازنة التحميل تحسين وقت الاستجابة وتجنب التحميل الزائد غير المتساوي لبعض عقد الحوسبة بينما تُترك عقد الحوسبة الأخرى خاملة.

يعد موازنة التحميل موضوعًا للبحث في مجال أجهزة الكمبيوتر المتوازية . هناك طريقتان رئيسيتان: الخوارزميات الثابتة، التي لا تأخذ في الاعتبار حالة الأجهزة المختلفة، والخوارزميات الديناميكية، والتي تكون عادةً أكثر عمومية وأكثر كفاءة ولكنها تتطلب تبادل المعلومات بين وحدات الحوسبة المختلفة، مع خطر فقدان الكفاءة.

تحاول خوارزمية موازنة التحميل دائمًا الإجابة على مشكلة محددة. ومن بين أمور أخرى، يجب أخذ طبيعة المهام، وتعقيد الخوارزمية ، وهندسة الأجهزة التي ستعمل عليها الخوارزميات، بالإضافة إلى تحمل الأخطاء المطلوب ، في الاعتبار. لذلك، يجب إيجاد حل وسط لتلبية المتطلبات الخاصة بالتطبيق على أفضل وجه.

تعتمد كفاءة خوارزميات موازنة التحميل بشكل كبير على طبيعة المهام. لذلك، كلما زادت المعلومات المتاحة حول المهام في وقت اتخاذ القرار، زادت إمكانية التحسين.

المعرفة الكاملة بوقت تنفيذ كل مهمة تسمح بالوصول إلى توزيع مثالي للحمل (انظر خوارزمية مجموع البادئة ). ^[1] لسوء الحظ، هذه في الواقع حالة مثالية. معرفة وقت التنفيذ الدقيق لكل مهمة هو موقف نادر للغاية.

لهذا السبب، هناك العديد من التقنيات للحصول على فكرة عن أوقات التنفيذ المختلفة. أولاً وقبل كل شيء، في السيناريو المحظوظ المتمثل في وجود مهام ذات حجم متجانس نسبيًا، من الممكن اعتبار أن كل منها سيتطلب وقت تنفيذ متوسطًا تقريبًا. من ناحية أخرى، إذا كان وقت التنفيذ غير منتظم للغاية، فيجب استخدام تقنيات أكثر تطورًا. إحدى التقنيات هي إضافة بعض البيانات الوصفية إلى كل مهمة. بناءً على وقت التنفيذ السابق للبيانات الوصفية المماثلة، من الممكن استخلاص استنتاجات لمهمة مستقبلية بناءً على الإحصائيات. ^[2]

في بعض الحالات، تعتمد المهام على بعضها البعض. ويمكن توضيح هذه الترابطات من خلال رسم بياني غير دوري موجه . وبشكل بديهي، لا يمكن بدء بعض المهام حتى يتم إكمال مهام أخرى.

بافتراض أن الوقت المطلوب لكل مهمة معروف مسبقًا، يجب أن يؤدي ترتيب التنفيذ الأمثل إلى تقليل إجمالي وقت التنفيذ. على الرغم من أن هذه مشكلة صعبة NP وبالتالي قد يكون من الصعب حلها بدقة. هناك خوارزميات، مثل job scheduler ، تحسب توزيعات المهام المثلى باستخدام طرق metaheuristic .

من بين السمات الأخرى للمهام الحاسمة في تصميم خوارزمية موازنة الحمل قدرتها على التقسيم إلى مهام فرعية أثناء التنفيذ. وتستفيد خوارزمية "الحوسبة على شكل شجرة" المقدمة لاحقًا بشكل كبير من هذه الخصوصية.

تكون خوارزمية موازنة التحميل "ثابتة" عندما لا تأخذ في الاعتبار حالة النظام لتوزيع المهام. وبالتالي، تتضمن حالة النظام مقاييس مثل مستوى التحميل (وأحيانًا حتى التحميل الزائد) لبعض المعالجات. بدلاً من ذلك، يتم إجراء افتراضات حول النظام الإجمالي مسبقًا، مثل أوقات وصول المهام الواردة ومتطلبات الموارد. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدد المعالجات وقوتها وسرعات الاتصال الخاصة بها معروفة. لذلك، تهدف موازنة التحميل الثابتة إلى ربط مجموعة معروفة من المهام بالمعالجات المتاحة من أجل تقليل دالة أداء معينة. تكمن الحيلة في مفهوم دالة الأداء هذه.

تتركز تقنيات موازنة التحميل الثابتة عادةً حول جهاز توجيه أو جهاز رئيسي ، والذي يقوم بتوزيع الأحمال وتحسين وظيفة الأداء. ويمكن أن يأخذ هذا التقليل في الاعتبار المعلومات المتعلقة بالمهام التي سيتم توزيعها، واستنتاج وقت التنفيذ المتوقع.

تتمثل ميزة الخوارزميات الثابتة في سهولة إعدادها وكفاءتها العالية في حالة المهام المنتظمة إلى حد ما (مثل معالجة طلبات HTTP من موقع ويب). ومع ذلك، لا يزال هناك بعض التباين الإحصائي في تعيين المهام مما قد يؤدي إلى زيادة تحميل بعض وحدات الحوسبة.

على عكس خوارزميات توزيع الحمل الثابت، تأخذ الخوارزميات الديناميكية في الاعتبار الحمل الحالي لكل وحدة حوسبة (وتسمى أيضًا العقد) في النظام. في هذا النهج، يمكن نقل المهام ديناميكيًا من عقدة محملة بشكل زائد إلى عقدة محملة بشكل أقل من أجل تلقي معالجة أسرع. في حين أن هذه الخوارزميات أكثر تعقيدًا في التصميم، إلا أنها يمكن أن تنتج نتائج ممتازة، خاصة عندما يختلف وقت التنفيذ بشكل كبير من مهمة إلى أخرى.

يمكن أن تكون بنية موازنة التحميل الديناميكية أكثر قابلية للتكيف نظرًا لأنه ليس من الإلزامي وجود عقدة محددة مخصصة لتوزيع العمل. عندما يتم تعيين المهام بشكل فريد لمعالج وفقًا لحالتها في لحظة معينة، فهذا يعد تعيينًا فريدًا. من ناحية أخرى، إذا كان من الممكن إعادة توزيع المهام بشكل دائم وفقًا لحالة النظام وتطوره، فإن هذا يسمى التعيين الديناميكي. ^[3] من الواضح أن خوارزمية موازنة التحميل التي تتطلب الكثير من الاتصالات من أجل الوصول إلى قراراتها تخاطر بإبطاء حل المشكلة الإجمالية.

غالبًا ما تتكون البنى التحتية للحوسبة المتوازية من وحدات ذات قوة حوسبة مختلفة ، والتي يجب أخذها في الاعتبار لتوزيع الحمل.

على سبيل المثال، قد تتلقى الوحدات ذات القدرة المنخفضة طلبات تتطلب كمية أقل من العمليات الحسابية، أو في حالة أحجام الطلبات المتجانسة أو غير المعروفة، قد تتلقى طلبات أقل من الوحدات الأكبر.

غالبًا ما تنقسم أجهزة الكمبيوتر المتوازية إلى فئتين عريضتين: تلك التي تشترك فيها جميع المعالجات في ذاكرة مشتركة واحدة تقرأ وتكتب عليها بالتوازي ( نموذج PRAM )، وتلك التي تحتوي فيها كل وحدة حوسبة على ذاكرتها الخاصة ( نموذج الذاكرة الموزعة )، وحيث يتم تبادل المعلومات عن طريق الرسائل.

بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر ذات الذاكرة المشتركة ، فإن إدارة تعارضات الكتابة تبطئ بشكل كبير سرعة التنفيذ الفردي لكل وحدة حوسبة. ومع ذلك، يمكن أن تعمل بشكل جيد تمامًا بالتوازي. وعلى العكس من ذلك، في حالة تبادل الرسائل، يمكن لكل معالج أن يعمل بأقصى سرعة. من ناحية أخرى، عندما يتعلق الأمر بتبادل الرسائل الجماعي، تُضطر جميع المعالجات إلى الانتظار حتى تبدأ المعالجات الأبطأ مرحلة الاتصال.

في الواقع، هناك عدد قليل من الأنظمة التي تندرج تحت إحدى الفئتين بالضبط. وبشكل عام، تحتوي كل وحدة معالجة على ذاكرة داخلية لتخزين البيانات اللازمة للحسابات التالية، ويتم تنظيمها في مجموعات متتالية . وغالبًا ما يتم تنسيق عناصر المعالجة هذه من خلال الذاكرة الموزعة وتمرير الرسائل . لذلك، يجب أن تتكيف خوارزمية موازنة الحمل بشكل فريد مع بنية موازية. وإلا، فهناك خطر انخفاض كفاءة حل المشكلات بالتوازي بشكل كبير.

بالتكيف مع هياكل الأجهزة الموضحة أعلاه، هناك فئتان رئيسيتان من خوارزميات موازنة التحميل. من ناحية، يتم تعيين المهام من قبل "الرئيس" وتنفيذها من قبل "العمال" الذين يطلعون الرئيس على تقدم عملهم، ويمكن للسيد بعد ذلك أن يتولى مسؤولية تعيين أو إعادة تعيين عبء العمل في حالة الخوارزمية الديناميكية. تشير الأدبيات إلى ذلك باسم بنية "الرئيس-العامل" . من ناحية أخرى، يمكن توزيع التحكم بين العقد المختلفة. ثم يتم تنفيذ خوارزمية موازنة التحميل على كل منها ويتم تقاسم مسؤولية تعيين المهام (وكذلك إعادة التعيين والتقسيم حسب الاقتضاء). تفترض الفئة الأخيرة خوارزمية موازنة التحميل الديناميكية.

نظرًا لأن تصميم كل خوارزمية لموازنة الحمل فريد من نوعه، فيجب تحديد التمييز السابق. وبالتالي، من الممكن أيضًا أن يكون لدينا استراتيجية وسيطة، على سبيل المثال، عقد "رئيسية" لكل مجموعة فرعية، والتي تخضع هي نفسها لـ "رئيسي" عالمي. هناك أيضًا منظمات متعددة المستويات، مع التناوب بين استراتيجيات التحكم الرئيسية والتابعة والتحكم الموزع. تصبح الاستراتيجيات الأخيرة معقدة بسرعة ونادرًا ما يتم مواجهتها. يفضل المصممون الخوارزميات التي يسهل التحكم فيها.

في سياق الخوارزميات التي تعمل على المدى الطويل جدًا (الخوادم، السحابة...)، يتطور هيكل الكمبيوتر بمرور الوقت. ومع ذلك، فمن الأفضل عدم الاضطرار إلى تصميم خوارزمية جديدة في كل مرة.

لذلك، فإن أحد أهم المعلمات في خوارزمية موازنة التحميل هو قدرتها على التكيف مع بنية الأجهزة القابلة للتطوير. وهذا ما يسمى قابلية توسع الخوارزمية. تسمى الخوارزمية قابلة للتطوير لمعلمة إدخال عندما يظل أداؤها مستقلاً نسبيًا عن حجم تلك المعلمة.

عندما تكون الخوارزمية قادرة على التكيف مع عدد متغير من وحدات الحوسبة، ولكن يجب تحديد عدد وحدات الحوسبة قبل التنفيذ، تسمى قابلة للتشكيل. من ناحية أخرى، إذا كانت الخوارزمية قادرة على التعامل مع كمية متقلبة من المعالجات أثناء تنفيذها، يقال إن الخوارزمية قابلة للتشكيل. معظم خوارزميات موازنة الحمل قابلة للتشكيل على الأقل. ^[4]

وخاصة في مجموعات الحوسبة واسعة النطاق ، ليس من المقبول تنفيذ خوارزمية متوازية لا يمكنها تحمل فشل مكون واحد. لذلك، يتم تطوير خوارزميات مقاومة للأخطاء يمكنها اكتشاف انقطاعات المعالجات واستعادة الحساب. ^[5]

إذا كانت المهام مستقلة عن بعضها البعض، وإذا كان من الممكن تقسيم وقت تنفيذها والمهام الخاصة بها، فهناك خوارزمية بسيطة ومثالية.

من خلال تقسيم المهام بطريقة تعطي نفس مقدار العمليات الحسابية لكل معالج، كل ما تبقى هو تجميع النتائج معًا. باستخدام خوارزمية مجموع البادئة ، يمكن حساب هذا التقسيم في وقت لوغاريتمي فيما يتعلق بعدد المعالجات. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

ومع ذلك، إذا لم يكن من الممكن تقسيم المهام (أي أنها ذرية )، على الرغم من أن تحسين تعيين المهام يمثل مشكلة صعبة، فما زال من الممكن تقريب توزيع عادل نسبيًا للمهام، بشرط أن يكون حجم كل منها أصغر كثيرًا من إجمالي العمليات الحسابية التي تقوم بها كل عقدة. ^[1]

في أغلب الأحيان، يكون وقت تنفيذ المهمة غير معروف ولا تتوفر سوى تقريبات تقريبية. وعلى الرغم من كفاءة هذه الخوارزمية بشكل خاص، إلا أنها غير قابلة للتطبيق في هذه السيناريوهات.

حتى لو لم يكن وقت التنفيذ معروفًا مسبقًا على الإطلاق، فمن الممكن دائمًا توزيع الحمل الثابت.

في خوارزمية الدوري، يتم إرسال الطلب الأول إلى الخادم الأول، ثم الطلب التالي إلى الخادم الثاني، وهكذا حتى الخادم الأخير. ثم يتم البدء من جديد، مع تخصيص الطلب التالي إلى الخادم الأول، وهكذا.

يمكن ترجيح هذه الخوارزمية بحيث تتلقى الوحدات الأقوى أكبر عدد من الطلبات وتتلقاها أولاً.

إن موازنة التحميل العشوائية الثابتة هي ببساطة مسألة تعيين المهام بشكل عشوائي إلى الخوادم المختلفة. تعمل هذه الطريقة بشكل جيد للغاية. من ناحية أخرى، إذا كان عدد المهام معروفًا مسبقًا، فمن الأكثر كفاءة حساب ترتيب عشوائي مسبقًا. هذا يتجنب تكاليف الاتصال لكل تعيين. لم تعد هناك حاجة إلى وحدة تحكم التوزيع لأن كل معالج يعرف المهمة المعينة له. حتى إذا كان عدد المهام غير معروف، فما زال من الممكن تجنب الاتصال من خلال توليد تعيين عشوائي زائف معروف لجميع المعالجات.

ينخفض ​​أداء هذه الاستراتيجية (الذي يتم قياسه من خلال إجمالي وقت التنفيذ لمجموعة ثابتة معينة من المهام) مع الحد الأقصى لحجم المهام.

بالطبع، هناك طرق أخرى للتعيين أيضًا:

• عمل أقل: تعيين المزيد من المهام إلى الخوادم من خلال أداء أقل ^{[ توضيح مطلوب ]} (يمكن أيضًا ترجيح الطريقة).
• Hash: يقوم بتخصيص الاستعلامات وفقًا لجدول التجزئة .
• قوة الاختيارين: اختر خادمين عشوائيًا واختر الأفضل من الخيارين. ^{[6] [7]}

تعد مخططات Master-Worker من أبسط خوارزميات موازنة الحمل الديناميكية. يوزع Master عبء العمل على جميع العمال (يُشار إليهم أحيانًا أيضًا باسم "العمال العبيد"). في البداية، يكون جميع العمال خاملين ويبلغون بذلك إلى Master. يجيب Master على طلبات العمال ويوزع المهام عليهم. عندما لا يكون لديه المزيد من المهام ليقدمها، فإنه يخبر العمال حتى يتوقفوا عن طلب المهام.

تتمثل ميزة هذا النظام في أنه يوزع العبء بشكل عادل للغاية. في الواقع، إذا لم نضع في الاعتبار الوقت اللازم للمهمة، فإن وقت التنفيذ سيكون قابلاً للمقارنة بمجموع البادئة الموضح أعلاه.

تكمن المشكلة في هذه الخوارزمية في صعوبة تكيفها مع عدد كبير من المعالجات بسبب الكم الكبير من الاتصالات اللازمة. وهذا الافتقار إلى القدرة على التوسع يجعلها غير قابلة للتشغيل بسرعة في الخوادم الضخمة أو أجهزة الكمبيوتر المتوازية الضخمة. يعمل الجهاز الرئيسي كعنق زجاجة .

ومع ذلك، يمكن تحسين جودة الخوارزمية بشكل كبير عن طريق استبدال المعالج الرئيسي بقائمة مهام يمكن استخدامها بواسطة معالجات مختلفة. وعلى الرغم من أن تنفيذ هذه الخوارزمية أصعب قليلاً، إلا أنها تعد بقدرة أكبر على التوسع، رغم أنها لا تزال غير كافية لمراكز الحوسبة الضخمة للغاية.

هناك تقنية أخرى للتغلب على مشاكل التوسع عندما يكون الوقت اللازم لإكمال المهمة غير معروف وهي سرقة العمل .

يتألف النهج من تعيين عدد معين من المهام لكل معالج بطريقة عشوائية أو محددة مسبقًا، ثم السماح للمعالجات غير النشطة "بسرقة" العمل من المعالجات النشطة أو المثقلة بالأعباء. هناك العديد من التطبيقات لهذا المفهوم، والتي يتم تحديدها من خلال نموذج تقسيم المهام والقواعد التي تحدد التبادل بين المعالجات. في حين أن هذه التقنية قد تكون فعالة بشكل خاص، إلا أنه من الصعب تنفيذها لأنها ضرورية لضمان عدم تحول الاتصال إلى المهنة الأساسية للمعالجات بدلاً من حل المشكلة.

في حالة المهام الذرية، يمكن التمييز بين استراتيجيتين رئيسيتين، حيث تقدم المعالجات ذات الحمل المنخفض قدرتها الحاسوبية إلى تلك ذات الحمل الأعلى، وتلك هي الوحدات الأكثر تحميلًا التي ترغب في تخفيف عبء العمل الموكل إليها. وقد ثبت ^[8] أنه عندما تكون الشبكة محملة بشكل كبير، يكون من الأكثر كفاءة للوحدات الأقل تحميلًا أن تقدم توفرها وعندما تكون الشبكة محملة بشكل خفيف، فإن المعالجات المحملة بشكل زائد هي التي تتطلب الدعم من المعالجات الأقل نشاطًا. تحد هذه القاعدة العامة من عدد الرسائل المتبادلة.

في حالة البدء بمهمة كبيرة واحدة لا يمكن تقسيمها إلى ما هو أبعد من المستوى الذري، توجد خوارزمية فعالة للغاية "الحوسبة على شكل شجرة"، ^[9] حيث يتم توزيع المهمة الأصلية في شجرة عمل.

في البداية، يكون لدى العديد من المعالجات مهمة فارغة، باستثناء واحدة تعمل عليها بشكل متسلسل. تصدر المعالجات الخاملة طلبات عشوائيًا إلى معالجات أخرى (ليس بالضرورة نشطة). إذا كان الأخير قادرًا على تقسيم المهمة التي يعمل عليها، فإنه يفعل ذلك عن طريق إرسال جزء من عمله إلى العقدة التي تقدم الطلب. وإلا، فإنه يعيد مهمة فارغة. هذا يحفز بنية شجرة . من الضروري بعد ذلك إرسال إشارة إنهاء إلى المعالج الرئيسي عند اكتمال المهمة الفرعية حتى يرسل بدوره الرسالة إلى معالجه الرئيسي حتى يصل إلى جذر الشجرة. عندما ينتهي المعالج الأول، أي الجذر، يمكن بث رسالة إنهاء عالمية. في النهاية، من الضروري تجميع النتائج بالعودة إلى أعلى الشجرة.

إن كفاءة مثل هذه الخوارزمية تقترب من مجموع البادئة عندما لا يكون وقت قطع الوظائف والاتصال مرتفعًا جدًا مقارنة بالعمل الذي يجب القيام به. لتجنب تكاليف الاتصال المرتفعة للغاية، من الممكن تخيل قائمة من الوظائف على الذاكرة المشتركة . لذلك، فإن الطلب هو ببساطة القراءة من موضع معين على هذه الذاكرة المشتركة بناءً على طلب المعالج الرئيسي.

بالإضافة إلى حل المشكلات بكفاءة من خلال العمليات الحسابية المتوازية، تُستخدم خوارزميات موازنة التحميل على نطاق واسع في إدارة طلبات HTTP حيث يجب أن يكون الموقع الذي يحتوي على جمهور كبير قادرًا على التعامل مع عدد كبير من الطلبات في الثانية.

يحتاج قسم هذه المقالة إلى مزيد من الاستشهادات للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة في قسم هذه المقالة. قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. ابحث عن المصادر:  "Load balancing" computing – news  · journalist  · books  · scholar  · JSTOR ( December 2010 ) ( Learn how and when to remove this message )

أحد أكثر التطبيقات استخدامًا لموازنة التحميل هو توفير خدمة إنترنت واحدة من خوادم متعددة ، والمعروفة أحيانًا باسم مزرعة الخوادم . تشمل أنظمة موازنة التحميل عادةً مواقع الويب الشهيرة وشبكات الدردشة عبر الإنترنت الكبيرة ومواقع بروتوكول نقل الملفات (FTP) ذات النطاق الترددي العالي وخوادم بروتوكول نقل الأخبار الشبكية (NNTP) وخوادم نظام اسم المجال (DNS) وقواعد البيانات.

DNS الدوري هو طريقة بديلة لموازنة التحميل لا تتطلب عقدة مخصصة للبرامج أو الأجهزة. في هذه التقنية، يتم ربط عناوين IP متعددة باسم نطاق واحد ؛ يتم منح العملاء IP بطريقة الدوري. يتم تعيين IP للعملاء بفترة صلاحية قصيرة حتى يكون العميل أكثر عرضة لاستخدام IP مختلف في المرة التالية التي يصل فيها إلى خدمة الإنترنت المطلوبة.

هناك تقنية أخرى أكثر فعالية لموازنة التحميل باستخدام DNS وهي تفويض www.example.org كنطاق فرعي يتم تقديم الخدمة في منطقته بواسطة كل من نفس الخوادم التي تخدم موقع الويب. تعمل هذه التقنية بشكل جيد بشكل خاص حيث يتم توزيع الخوادم الفردية جغرافيًا على الإنترنت. على سبيل المثال:

one.example.org أ 192.0.2.1

two.example.org أ 203.0.113.2

www.example.org NS one.example.org

www.example.org NS two.example.org

ومع ذلك، فإن ملف المنطقة لـ www.example.org على كل خادم يختلف بحيث يقوم كل خادم بتحليل عنوان IP الخاص به كسجل A. ^[10] على الخادم الأول، يقدم ملف المنطقة لـ www.example.org التقارير التالية:

@ في 192.0.2.1

على الخادم الثاني يحتوي ملف المنطقة نفسه على:

@ في 203.0.113.2

بهذه الطريقة، عندما يكون الخادم معطلاً، لن يستجيب DNS الخاص به ولن تتلقى خدمة الويب أي حركة مرور. إذا كان الخط المؤدي إلى خادم واحد مزدحمًا، فإن عدم موثوقية DNS يضمن وصول حركة مرور HTTP أقل إلى هذا الخادم. علاوة على ذلك، فإن أسرع استجابة DNS للمحلل تكون دائمًا تقريبًا من أقرب خادم للشبكة، مما يضمن موازنة التحميل الحساسة جغرافيًا ^{[ بحاجة لمصدر ]} . تساعد TTL القصيرة على السجل A في ضمان تحويل حركة المرور بسرعة عند تعطل الخادم. يجب النظر في إمكانية أن تتسبب هذه التقنية في قيام العملاء الفرديين بالتبديل بين الخوادم الفردية في منتصف الجلسة.

هناك نهج آخر لموازنة التحميل وهو تسليم قائمة بعناوين IP للخادم إلى العميل، ثم جعل العميل يختار عنوان IP عشوائيًا من القائمة في كل اتصال. ^{[11] [12]} يعتمد هذا بشكل أساسي على توليد جميع العملاء لأحمال مماثلة، وقانون الأعداد الكبيرة ^[12] لتحقيق توزيع تحميل مسطح بشكل معقول عبر الخوادم. وقد زُعم أن موازنة التحميل العشوائية من جانب العميل تميل إلى توفير توزيع تحميل أفضل من DNS الدوري؛ وقد نُسب هذا إلى مشكلات التخزين المؤقت مع DNS الدوري، والتي في حالة خوادم التخزين المؤقت الكبيرة لـ DNS، تميل إلى تحريف التوزيع لـ DNS الدوري، بينما يظل الاختيار العشوائي من جانب العميل غير متأثر بغض النظر عن التخزين المؤقت لـ DNS. ^[12]

باستخدام هذا النهج، يمكن أن تختلف طريقة تسليم قائمة عناوين IP إلى العميل وقد يتم تنفيذها كقائمة DNS (يتم تسليمها إلى جميع العملاء دون أي دورة روبن)، أو عبر ترميزها الثابت في القائمة. إذا تم استخدام "عميل ذكي"، يكتشف أن خادمًا تم اختياره عشوائيًا معطل ويتصل عشوائيًا مرة أخرى، فإنه يوفر أيضًا التسامح مع الخطأ .

بالنسبة لخدمات الإنترنت، عادةً ما يكون موازن التحميل من جانب الخادم عبارة عن برنامج يستمع إلى المنفذ الذي يتصل منه العملاء الخارجيون بخدمات الوصول. يقوم موازن التحميل بإعادة توجيه الطلبات إلى أحد خوادم "الواجهة الخلفية"، والتي عادةً ما ترد على موازن التحميل. يسمح هذا لموازن التحميل بالرد على العميل دون أن يعرف العميل مطلقًا الفصل الداخلي للوظائف. كما يمنع العملاء من الاتصال بخوادم الواجهة الخلفية بشكل مباشر، وهو ما قد يكون له فوائد أمنية من خلال إخفاء بنية الشبكة الداخلية ومنع الهجمات على مجموعة شبكة النواة أو الخدمات غير ذات الصلة التي تعمل على منافذ أخرى.

توفر بعض موازنات التحميل آلية للقيام بشيء خاص في حالة عدم توفر جميع خوادم الواجهة الخلفية. قد يتضمن هذا إعادة التوجيه إلى موازن تحميل احتياطي أو عرض رسالة بخصوص الانقطاع.

من المهم أيضًا ألا يصبح موازن التحميل نفسه نقطة فشل واحدة . عادةً، يتم تنفيذ موازنات التحميل في أزواج ذات توفر عالٍ والتي قد تقوم أيضًا بتكرار بيانات استمرار الجلسة إذا لزم الأمر من قبل التطبيق المحدد. ^[13] تتم برمجة تطبيقات معينة بحصانة ضد هذه المشكلة، عن طريق تعويض نقطة موازنة التحميل عبر منصات المشاركة التفاضلية خارج الشبكة المحددة. يتم تعريف الخوارزميات المتسلسلة المقترنة بهذه الوظائف من خلال معلمات مرنة فريدة لقاعدة البيانات المحددة. ^[14]

تستخدم موازنات التحميل العديد من خوارزميات الجدولة ، والتي تسمى أيضًا طرق موازنة التحميل، لتحديد الخادم الخلفي الذي سيتم إرسال الطلب إليه. تتضمن الخوارزميات البسيطة الاختيار العشوائي، أو التناوب ، أو أقل عدد من الاتصالات. ^[15] قد تأخذ موازنات التحميل الأكثر تطورًا عوامل إضافية في الاعتبار، مثل الحمل المبلغ عنه للخادم، وأقل أوقات الاستجابة، وحالة التشغيل/الإيقاف (التي يتم تحديدها من خلال استطلاع مراقبة من نوع ما)، وعدد الاتصالات النشطة، والموقع الجغرافي، والقدرات، أو مقدار حركة المرور التي تم تخصيصها مؤخرًا.

من القضايا المهمة عند تشغيل خدمة متوازنة التحميل كيفية التعامل مع المعلومات التي يجب الاحتفاظ بها عبر الطلبات المتعددة في جلسة المستخدم. إذا تم تخزين هذه المعلومات محليًا على خادم خلفي واحد، فلن تتمكن الطلبات اللاحقة التي تنتقل إلى خوادم خلفية مختلفة من العثور عليها. قد تكون هذه معلومات مخزنة مؤقتًا يمكن إعادة حسابها، وفي هذه الحالة فإن موازنة تحميل الطلب إلى خادم خلفي مختلف يؤدي فقط إلى إدخال مشكلة في الأداء. ^[15]

من الناحية المثالية، لا ينبغي لمجموعة الخوادم الموجودة خلف موازن التحميل أن تكون على دراية بالجلسة، بحيث إذا اتصل عميل بأي خادم خلفي في أي وقت، فلن تتأثر تجربة المستخدم. يتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام قاعدة بيانات مشتركة أو قاعدة بيانات جلسة في الذاكرة مثل Memcached .

أحد الحلول الأساسية لمشكلة بيانات الجلسة هو إرسال جميع الطلبات في جلسة مستخدم بشكل متسق إلى نفس الخادم الخلفي. يُعرف هذا باسم "الثبات" أو "الالتصاق". الجانب السلبي الكبير لهذه التقنية هو افتقارها إلى التعافي التلقائي من الفشل : إذا تعطل خادم خلفي، تصبح معلومات كل جلسة غير قابلة للوصول، ويتم فقد أي جلسات تعتمد عليها. نفس المشكلة تنطبق عادةً على خوادم قواعد البيانات المركزية؛ حتى إذا كانت خوادم الويب "عديمة الجنسية" وليست "ثابتة"، فإن قاعدة البيانات المركزية كذلك (انظر أدناه).

قد يكون التعيين لخادم معين قائمًا على اسم مستخدم أو عنوان IP للعميل أو عشوائيًا. نظرًا للتغييرات في العنوان المتصور للعميل الناتجة عن DHCP وترجمة عنوان الشبكة ووكلاء الويب ، فقد تكون هذه الطريقة غير موثوقة. يجب أن يتذكر موازن التحميل التعيينات العشوائية، مما يخلق عبئًا على التخزين. إذا تم استبدال موازن التحميل أو فشل، فقد يتم فقد هذه المعلومات، وقد يلزم حذف التعيينات بعد فترة زمنية محددة أو أثناء فترات التحميل العالي لتجنب تجاوز المساحة المتاحة لجدول التعيين. تتطلب طريقة التعيين العشوائي أيضًا أن يحافظ العملاء على بعض الحالات، والتي يمكن أن تكون مشكلة، على سبيل المثال عندما يقوم متصفح الويب بتعطيل تخزين ملفات تعريف الارتباط. تستخدم موازنات التحميل المتطورة تقنيات ثبات متعددة لتجنب بعض أوجه القصور في أي طريقة واحدة.

الحل الآخر هو الاحتفاظ ببيانات الجلسة الواحدة في قاعدة بيانات . وهذا أمر سيئ بشكل عام للأداء لأنه يزيد من الحمل على قاعدة البيانات: من الأفضل استخدام قاعدة البيانات لتخزين معلومات أقل عابرة من بيانات الجلسة الواحدة. لمنع قاعدة البيانات من أن تصبح نقطة فشل واحدة ، وتحسين قابلية التوسع ، غالبًا ما يتم تكرار قاعدة البيانات عبر أجهزة متعددة، ويتم استخدام موازنة التحميل لتوزيع حمل الاستعلام عبر هذه النسخ المتماثلة. تعد تقنية ASP.net State Server من Microsoft مثالاً لقاعدة بيانات الجلسة. تخزن جميع الخوادم في مزرعة الويب بيانات جلستها على State Server ويمكن لأي خادم في المزرعة استرداد البيانات.

في الحالة الشائعة جدًا حيث يكون العميل عبارة عن متصفح ويب، فإن النهج البسيط ولكن الفعّال هو تخزين بيانات كل جلسة في المتصفح نفسه. إحدى الطرق لتحقيق ذلك هي استخدام ملف تعريف ارتباط للمتصفح ، مختوم بالوقت ومشفّر بشكل مناسب. طريقة أخرى هي إعادة كتابة عنوان URL . يعد تخزين بيانات الجلسة على العميل هو الحل المفضل بشكل عام: عندها يكون موازن التحميل حرًا في اختيار أي خادم خلفي للتعامل مع الطلب. ومع ذلك، فإن طريقة معالجة بيانات الحالة هذه غير مناسبة لبعض سيناريوهات منطق الأعمال المعقدة، حيث تكون حمولة حالة الجلسة كبيرة وإعادة حسابها مع كل طلب على الخادم غير ممكن. تواجه إعادة كتابة عنوان URL مشكلات أمنية كبيرة لأن المستخدم النهائي يمكنه بسهولة تغيير عنوان URL المرسل وبالتالي تغيير تدفقات الجلسة.

الحل الآخر لتخزين البيانات الدائمة هو ربط اسم بكل كتلة من البيانات، واستخدام جدول تجزئة موزع لتعيين هذا الاسم بشكل عشوائي إلى أحد الخوادم المتاحة، ثم تخزين كتلة البيانات هذه في الخادم المخصص.

قد تحتوي موازنات التحميل المادية والبرمجية على مجموعة متنوعة من الميزات الخاصة. الميزة الأساسية لموازن التحميل هي القدرة على توزيع الطلبات الواردة على عدد من خوادم الواجهة الخلفية في المجموعة وفقًا لخوارزمية الجدولة. معظم الميزات التالية خاصة بالبائع:

حمل غير متماثل

يمكن تعيين نسبة يدويًا للتسبب في حصول بعض الخوادم الخلفية على حصة أكبر من عبء العمل مقارنة بخوادم أخرى. يُستخدم هذا أحيانًا كطريقة بدائية لتوضيح أن بعض الخوادم تتمتع بسعة أكبر من غيرها وقد لا تعمل دائمًا بالشكل المطلوب.

تفعيل الأولوية

عندما ينخفض ​​عدد الخوادم المتاحة إلى أقل من رقم معين، أو يصبح الحمل مرتفعًا للغاية، يمكن تشغيل الخوادم الاحتياطية عبر الإنترنت.

تخفيف الحمل وتسريع TLS

تسريع TLS (أو سلفه SSL) هو تقنية لتفريغ حسابات بروتوكول التشفير على أجهزة متخصصة. اعتمادًا على حجم العمل، يمكن أن تصبح معالجة متطلبات التشفير والمصادقة لطلب TLS جزءًا رئيسيًا من الطلب على وحدة المعالجة المركزية لخادم الويب؛ ومع زيادة الطلب، سيشهد المستخدمون أوقات استجابة أبطأ، حيث يتم توزيع النفقات العامة لـ TLS بين خوادم الويب. لإزالة هذا الطلب على خوادم الويب، يمكن لموازن إنهاء اتصالات TLS، وتمرير طلبات HTTPS كطلبات HTTP إلى خوادم الويب. إذا لم يكن الموازن نفسه مثقلًا، فهذا لا يؤدي إلى تدهور ملحوظ في الأداء الذي يدركه المستخدمون النهائيون. الجانب السلبي لهذا النهج هو أن كل معالجة TLS تتركز على جهاز واحد (الموازن) والذي يمكن أن يصبح عنق زجاجة جديدًا. تتضمن بعض أجهزة موازنة التحميل أجهزة متخصصة لمعالجة TLS. بدلاً من ترقية موازن التحميل، وهو جهاز مخصص باهظ الثمن، قد يكون من الأرخص التخلي عن تفريغ TLS وإضافة عدد قليل من خوادم الويب. كما أن بعض بائعي الخوادم مثل Oracle/Sun يقومون الآن بدمج أجهزة تسريع التشفير في وحدات المعالجة المركزية الخاصة بهم مثل T2000. تقوم F5 Networks بدمج بطاقة أجهزة تسريع TLS مخصصة في مدير حركة المرور المحلي (LTM) الخاص بها والذي يستخدم لتشفير وفك تشفير حركة مرور TLS. إحدى الفوائد الواضحة لتفريغ TLS في الموازن هي أنه يمكّنه من القيام بالموازنة أو تبديل المحتوى بناءً على البيانات الموجودة في طلب HTTPS.

حماية من هجمات رفض الخدمة الموزعة (DDoS)

يمكن أن توفر موازنات التحميل ميزات مثل ملفات تعريف الارتباط SYN والترابط المتأخر (لا ترى الخوادم الخلفية العميل حتى ينتهي من مصافحة TCP الخاصة به) للتخفيف من هجمات فيضان SYN ونقل العمل بشكل عام من الخوادم إلى منصة أكثر كفاءة.

ضغط HTTP

يقلل ضغط HTTP من كمية البيانات التي سيتم نقلها لكائنات HTTP من خلال الاستفادة من ضغط gzip المتوفر في جميع متصفحات الويب الحديثة. كلما كانت الاستجابة أكبر وكلما كان العميل بعيدًا، كلما تمكنت هذه الميزة من تحسين أوقات الاستجابة. والجانب السلبي هو أن هذه الميزة تضع طلبًا إضافيًا على وحدة المعالجة المركزية على موازن التحميل ويمكن أن يتم ذلك بواسطة خوادم الويب بدلاً من ذلك.

تفريغ TCP

يستخدم البائعون المختلفون مصطلحات مختلفة لهذا، ولكن الفكرة هي أن كل طلب HTTP من كل عميل هو عادةً اتصال TCP مختلف. تستخدم هذه الميزة HTTP/1.1 لدمج طلبات HTTP المتعددة من عملاء متعددين في مقبس TCP واحد إلى خوادم الواجهة الخلفية.

تخزين مؤقت لـ TCP

يمكن لموازن التحميل تخزين الاستجابات من الخادم وإرسال البيانات إلى العملاء البطيئين، مما يسمح لخادم الويب بتحرير سلسلة لمهام أخرى بشكل أسرع مما لو كان عليه إرسال الطلب بأكمله إلى العميل مباشرة.

العودة المباشرة للخادم

خيار لتوزيع الحمل غير المتماثل، حيث يكون للطلب والرد مسارات شبكة مختلفة.

فحص الصحة

يقوم الموازن باستطلاع صحة طبقة التطبيق للخوادم وإزالة الخوادم الفاشلة من المجموعة.

تخزين HTTP مؤقتًا

يقوم الموازن بتخزين المحتوى الثابت حتى يمكن التعامل مع بعض الطلبات دون الاتصال بالخوادم.

تصفية المحتوى

يمكن لبعض الموازنات تعديل حركة المرور بشكل تعسفي أثناء مرورها.

أمان HTTP

يمكن لبعض الموازنات إخفاء صفحات خطأ HTTP، وإزالة رؤوس تعريف الخادم من استجابات HTTP، وتشفير ملفات تعريف الارتباط حتى لا يتمكن المستخدمون النهائيون من التلاعب بها.

ترتيب الأولويات

تُعرف أيضًا باسم تشكيل المعدل ، وهي القدرة على إعطاء أولويات مختلفة لحركة المرور المختلفة.

التبديل وفقًا للمحتوى

يمكن لمعظم موازنات التحميل إرسال طلبات إلى خوادم مختلفة استنادًا إلى عنوان URL المطلوب، على افتراض أن الطلب غير مشفر (HTTP) أو إذا تم تشفيره (عبر HTTPS) فإن طلب HTTPS يتم إنهاؤه (فك تشفيره) في موازن التحميل.

مصادقة العميل

قم بمصادقة المستخدمين عبر مجموعة متنوعة من مصادر المصادقة قبل السماح لهم بالوصول إلى موقع ويب.

التلاعب بحركة المرور البرمجية

يسمح موازن واحد على الأقل باستخدام لغة برمجة نصية للسماح بطرق موازنة مخصصة، ومعالجة حركة مرور عشوائية، والمزيد.

جدار الحماية

يمكن لجدران الحماية منع الاتصالات المباشرة بخوادم الواجهة الخلفية، لأسباب تتعلق بأمن الشبكة.

نظام منع التطفل

توفر أنظمة منع التطفل أمان طبقة التطبيق بالإضافة إلى طبقة الشبكة/النقل التي يوفرها أمان جدار الحماية.

قد يكون موازنة التحميل مفيدة في التطبيقات التي تحتوي على روابط اتصالات زائدة عن الحاجة. على سبيل المثال، قد يكون لدى الشركة اتصالات إنترنت متعددة تضمن الوصول إلى الشبكة في حالة فشل أحد الاتصالات. يعني ترتيب التعافي من الفشل أن أحد الروابط مخصص للاستخدام العادي، بينما يتم استخدام الرابط الثاني فقط في حالة فشل الرابط الأساسي.

باستخدام موازنة التحميل، يمكن استخدام كلا الارتباطين طوال الوقت. يراقب الجهاز أو البرنامج مدى توفر جميع الارتباطات ويختار المسار لإرسال الحزم. يؤدي استخدام ارتباطات متعددة في نفس الوقت إلى زيادة النطاق الترددي المتاح.

يسهل TRILL (الربط الشفاف للعديد من الروابط) على شبكة Ethernet أن يكون لها طوبولوجيا عشوائية، ويمكّن من تقسيم الحمل لكل زوج تدفق من خلال خوارزمية ديكسترا ، دون تكوين أو تدخل المستخدم. كان المحفز لـ TRILL حدثًا في مركز بيث إسرائيل ديكونيس الطبي والذي بدأ في 13 نوفمبر 2002. ^{[16] [17]} تم اقتراح مفهوم Rbridges ^{[18] [كذا] لأول مرة على} معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في عام 2004، ^[19] الذي رفض في عام 2005 ^[20] ما أصبح يُعرف باسم TRILL، وفي الأعوام من 2006 إلى 2012 ^[21] ابتكر اختلافًا غير متوافق يُعرف باسم Shortest Path Bridging .

وافقت جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات على معيار IEEE 802.1aq في مايو 2012، ^[22] والمعروف أيضًا باسم جسر أقصر مسار (SPB). يسمح SPB لجميع الروابط بأن تكون نشطة من خلال مسارات متعددة متساوية التكلفة، ويوفر أوقات تقارب أسرع لتقليل وقت التوقف، ويبسط استخدام موازنة الحمل في طوبولوجيات الشبكة الشبكية (المتصلة جزئيًا و/أو المتصلة بالكامل) من خلال السماح لحركة المرور بمشاركة الحمل عبر جميع مسارات الشبكة. ^{[23] [24]} تم تصميم SPB للقضاء تقريبًا على الخطأ البشري أثناء التكوين والحفاظ على طبيعة التوصيل والتشغيل التي أسست لـ Ethernet كبروتوكول فعلي في الطبقة 2. ^[25]

تستخدم العديد من شركات الاتصالات طرقًا متعددة عبر شبكاتها أو إلى شبكات خارجية. وهي تستخدم موازنة تحميل متطورة لتحويل حركة المرور من مسار إلى آخر لتجنب ازدحام الشبكة على أي رابط معين، وأحيانًا لتقليل تكلفة النقل عبر الشبكات الخارجية أو تحسين موثوقية الشبكة .

هناك طريقة أخرى لاستخدام موازنة التحميل في أنشطة مراقبة الشبكة . يمكن استخدام موازنات التحميل لتقسيم تدفقات البيانات الضخمة إلى عدة تدفقات فرعية واستخدام العديد من محللي الشبكة، حيث يقرأ كل منها جزءًا من البيانات الأصلية. وهذا مفيد جدًا لمراقبة الشبكات السريعة مثل 10GbE أو STM64، حيث قد لا تكون المعالجة المعقدة للبيانات ممكنة بسرعة السلك . ^[26]

تُستخدم موازنة التحميل على نطاق واسع في شبكات مراكز البيانات لتوزيع حركة المرور عبر العديد من المسارات الموجودة بين أي خادمين. ^[27] فهي تسمح باستخدام أكثر كفاءة لعرض النطاق الترددي للشبكة وتقلل من تكاليف التجهيز. بشكل عام، يمكن تصنيف موازنة التحميل في شبكات مراكز البيانات على أنها إما ثابتة أو ديناميكية.

توزع موازنة التحميل الثابتة حركة المرور من خلال حساب تجزئة عناوين المصدر والوجهة وأرقام المنافذ لتدفقات المرور واستخدامها لتحديد كيفية تعيين التدفقات إلى أحد المسارات الموجودة. تقوم موازنة التحميل الديناميكية بتعيين تدفقات المرور إلى مسارات من خلال مراقبة استخدام النطاق الترددي على مسارات مختلفة. يمكن أن تكون التعيينات الديناميكية أيضًا استباقية أو تفاعلية. في الحالة الأولى، يتم إصلاح التعيين بمجرد إجرائه، بينما في الحالة الثانية، تستمر منطق الشبكة في مراقبة المسارات المتاحة وتحويل التدفقات عبرها مع تغير استخدام الشبكة (مع وصول تدفقات جديدة أو اكتمال التدفقات الموجودة). تم توفير نظرة عامة شاملة على موازنة التحميل في شبكات مراكز البيانات. ^[27]

غالبًا ما يتم استخدام موازنة التحميل لتنفيذ التعافي من الفشل - استمرار الخدمة بعد فشل أحد مكوناتها أو أكثر. تتم مراقبة المكونات باستمرار (على سبيل المثال، يمكن مراقبة خوادم الويب من خلال جلب الصفحات المعروفة)، وعندما يصبح أحدها غير مستجيب، يتم إبلاغ موازن التحميل ولا يرسل حركة المرور إليه بعد الآن. عندما يعود أحد المكونات إلى الإنترنت، يبدأ موازن التحميل في إعادة توجيه حركة المرور إليه. لكي يعمل هذا، يجب أن يكون هناك مكون واحد على الأقل يتجاوز سعة الخدمة ( التكرار N + 1 ). يمكن أن يكون هذا أقل تكلفة وأكثر مرونة من أساليب التعافي من الفشل حيث يتم إقران كل مكون حي بمكون احتياطي واحد يتولى المسؤولية في حالة حدوث فشل ( التكرار المعياري المزدوج ). يمكن لبعض أنظمة RAID أيضًا استخدام الاحتياطي الساخن لتأثير مماثل. ^[28]

• توجيه الخادم لتحقيق التوازن في التحميل مع الاسترداد التلقائي الكامل للفشل