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로드 밸런싱과 클러스터링

2018-09-03
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로드밸런싱(Loadbalancing)

로드 밸런싱이란 부하 분산을 위해서 가상(virtual) IP를 통해 여러 서버에 접속하도록 분배하는 기능을 말한다.

  • 하나의 인터넷 서비스가 발생하는 트래픽이 많을 때 여러 대의 서버가 분산처리하여
    서버의 로드율 증가, 부하량, 속도 저하 등을 고려하여 적절히 분산처리하여 해결해 주는 서비스이다.

  • 로드밸런싱은 하나의 서비스를 하나 이상의 노드가 처리하는 식으로 작동한다.

  • 서버의 로드를 클러스터링된 서버별로 균등하게 나누어 주는 서버를 말한다.

  • 로드밸런싱을 이용하면 한 서버가 다운되더라도 이중화시킨 다른 서버에서 서비스를 지속하여,
    사용자들이 문제를 인지하지 못하게 할 수 있다.

  • 로드밸런싱을 위한 서비스 요청 처리 알고리즘은 다양하다.
    랜덤, 라운드 로빈, CPU나 메모리 사용률 등과 같은 특정 범주에 따라 노드를 선택하는 등의 방법이 있다.
    오픈소스 로드밸런서 중 많이 사용되고 있는 것은 HAProxy이다.

  • 로드밸런싱을 해주는 소프트웨어 혹은 하드웨어 장비를 로드밸런서라고 한다.

  • 로드밸런서의 주 목적은 동시에 오는 수 많은 커넥션을 처리하고 해당 커넥션이 요청 노드 중의 하나로 전달될 수 있게 하는 것이다. 그리고 단지 노드를 추가하는 것만으로 서비스가 확장성을 가질 수 있도록 한다.


로드 밸런싱 종류

  • L2
    • Mac주소를 바탕으로 Load Balancing 진행
  • L3
    • IP주소를 바탕으로 Load Balancing 진행
  • L4
    • Transport Layer(IP와 Port) Level에서 Load Balancing 진행
    • TCP, UDP


  • L7
    • Application Layer(사용자의 Request) Level에서 Load Balancing 진행
    • HTTP, HTTPS, FTP


  • HTTP
    • X-Forwarded-For : HTTP or HTTPS 로드 밸런서를 사용할 때 클라이언트의 IP 주소를 식별하는 데 도움을 준다.
    • X-Forwarded-Proto : 클라이언트가 로드 밸런서 연결에 사용한 프로토콜(HTTP or HTTPS)을 식별하는 데 도움을 준다.
    • X-Forwarded-Port : 클라이언트가 로드 밸런서 연결에 사용한 포트를 식별하는 데 도움을 준다.


로드 밸런싱 장애 대비

  • 로드밸런서 서버의 이중화를 기본으로 구성 한다.


로브 밸런싱 장애 발생 시

  • 이중화된 Load Balancer들은 서로 Health Check를 한다.

  • Master서버와 Standby서버을 구성하고
    Master 서버가 Fail 시 Standby 서버가 자동으로 Master 서버의 역할을 한다.

  • Standby서버는 평상시에는 대기상태로만 있다가 Master 서버가 Fail 되었을 경우만 작동을 한다.

  • 이 구성을 Fail Over라 한다.


로드 밸런싱의 단점

  • 로드밸런서를 사용할 때 어려운 문제 중 하나는 세션 데이터를 관리하는 것이다.

  • 클라이언트의 연결 정보를 저장하는 세션이 로드밸런싱을 통해 하나의 서버 장비에 저장이 되는 경우,
    추후 다른 서버로 접속하게 되면, 해당 클라이언트의 세션이 유지되지 않는다는 것이다.
    즉, 서버에 액세스 할 때마다 다른 세션을 사용한다면 특정 사용자의 정보를 일관성있게 유지할 수 없게 된다.

  • 이러한 문제를 해결하기 위해 세션을 고정(session sticky)한다.

  • 이 방법으로 특정 사용자의 요청이 전달될 노드를 고정시킬 수 있다.
    하지만 이 방법도 문제가 있다. 고정된 세션의 노드에 장애가 발생하면 고정한 의미가 없어진다.
    장애가 발생하여 비활성화된 노드에 대한 고려가 필요하다.


주요 기술

  • NAT(Network Address Translation)
    • private IP를 public IP로 바꾸는데 사용하는 통신망의 주소변조기
  • DSR(Dynamic Source Routing protocol)
    • 로드밸런서 사용 시 서버에서 클라이언트로 되돌아가는 경우
      목적지 주소를 스위치의 IP주소가 아닌 클라이언트의 IP 주소로 전달해서 네트워크 스위치를 거치지 않고 바로 클라이언트를 찾아가는 개념
  • Tunneling
    • 인터넷 상에서 눈에 보이지 않는 통로를 만들어 통신할 수 있게 하는 개념
    • 데이터를 캡슐화해서 연결된 상호 간에만 캡슐화된 패킷을 구별해 캡슐화를 해제할 수 있다.

대용량 서비스를 위한 부하 분산

  • 대용량 트래픽을 장애없이 처리하려면 여러 대의 서버에 적절히 트래픽을 분배해야 한다.
    단지 몇 개의 노드만 있다면 라운드 로빈 DNS와 같은 방식이 합리적이다.
    로드 밸런서 자체의 비용이 높고 불필요한 복잡함을 증가시킬 수 있기 때문이다.

  • DNS에서는 하나의 도메인 이름을 라운드 로빈 방식으로 여러 개의 IP 주소를 변환한다면 이것만으로 쉽게 부하 분산이 가능하다.

  • 하지만 여기에 두 가지 단점이 존재한다.
    • 첫째, 대부분의 클라이언트에서는 DNS 서버의 부하를 줄이고 성능을 향상시키기 위해 일정 시간 동안 캐싱하기 때문에 부하 분산이 균등하게 발생하지 않는다.
    • 둘째, 특정 서버에 장애가 발생하더라도 장애 여부가 감지되지 않아 서비스에서 해당 서버를 제거할 수 없다.
  • 그렇기 때문에 대규모 시스템에는 다양한 알고리즘과 스케줄링이 사용되고 있다.
    이러한 알고리즘들은 네트워크 트래픽과 분산 요청을 제어하면서 자동 절체나 이상 노드 제거와 같은 신뢰성 관련한 기능을 제공한다.

클러스터링(Clustering)

여러 대의 컴퓨터를 똑같은 구성의 서버군을 병렬로 연결한 시스템으로 마치 하나의 컴퓨터처럼 사용하는 것을 클러스터라고 한다.

  • 여러 대의 컴퓨터를 가상의 하나의 컴퓨터처럼 사용하게 해주는 것을 클러스터링 이라고 한다.

  • 클러스터링 환경에서는 특정 장비에 문제가 생기거나 애플리케이션에 문제가 생기더라도, 전체적인 서비스에는 영향을 주지 않게 제어할 수 있다.

  • 클러스터링은 Virtual IP(가상 IP) 기반으로 구현되는데, 서비스를 제공하는 실제 장비는 Physical IP를 가지고,
    데이터의 처리는 Virtual IP를 통해 처리한다. 이렇게 내부의 시스템은 철저하게 가려 추상화하는 것이 원칙이다.

  • 클러스터링 환경에서는 특정 장비에 문제가 생기거나 특정 장비에서 실행중인 애플리케이션에 문제가 발생하더라도 전체 서비스에 영향을 미치지 않도록 제어가 가능하다.

  • 로드밸런서에 의해 각 클러스터링된 서버에 의해 서비스가 진행이 된다.


확장 면에서 비교

  • 2가지 방법이 있다.
    • Scale-up : Server가 더 빠르게 동작하기 위해 하드웨어 성능을 올리는 방법
    • Scale-out : 하나의 Server 보다는 여러 대의 Server가 나눠서 일을 하는 방법
  • 둘 다 Scale-out 방식,
    즉 수평 방향으로 노드를 추가해서 성능을 업그레이드 하는 방법이다.

  • 저렴한 노드를 여러개 묶어서 성능을 업그레이드 하며, Scale-up 방식에 비해 비용을 줄일 수 있으며 유연한 구성이 가능하다.

  • Scale-out의 장점은 HW 향상하는 비용보다 서버 한 대 추가 비용이 더 적다.

정리

  • 로드 밸런싱은 L4 or L7이 여러대의 서버에 패킷을 부하분산시켜주는 것이고
    클러스터링은 여러대의 서버를 하나의 서버로 만들어 주는 것이다.

  • 클러스터링은 한서비스를 제공하는 여러개의 서버를 하나로 묶어 성능을 높여 많은양의 패킷을 처리하는 것이고,
    로드밸런싱은 여러대의 서버에 분산을 시켜주는 것이다.

  • 클러스터링이란 단어를 여러 그룹을 하나로 묶을 때 사용하는 약간 추상적인 단어 느낌이 든다.


참고


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