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로드 밸런싱에 대해 알아보자!

image origin: kubernetes-sigs.github.io

인터넷의 발달로 인해 데이터 통신이 활발해졌고, 이는 트래픽의 폭발적인 증가로 이어졌다. 방금 누른 페이스북 ‘좋아요’와 친구에게 카톡으로 전송한 동영상, 좋아하는 유튜버의 채널 시청까지 어느 것 하나 인터넷을 통하지 않은 것이 없을 정도이다.

그 결과 아무리 성능이 뛰어난 서버라고 해도 단 한대의 서버로는 모든 트래픽을 감당해내기 어려워졌다. 이에 기업들은 서버를 추가로 구비하고 여러 대의 서버에 동일한 데이터를 저장해 수많은 트래픽을 효과적으로 분산하여 처리한다.

그런데 단순히 다수의 서버를 구축해 운영한다고 해서 모든 클라이언트의 요청에 일관성 있게 응답할 수 있을까? 쏟아지는 트래픽을 여러 대의 서버로 분산시켜주는 기술이 없다면 한 곳의 서버에 모든 트래픽이 몰리는 상황이 발생할 것이다. 이때 필요한 기술이 바로 로드 밸런싱이다.

로드 밸런싱이란

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로드 밸런싱이란 말 그대로 서버가 처리해야 할 업무 혹은 요청(Load)을 여러 대의 서버로 나누어(Balancing) 처리하는 것을 의미한다. 한 대의 서버로 부하가 집중되지 않도록 트래픽을 관리해 각각의 서버가 최적의 퍼포먼스를 보일 수 있도록 하는 것이 목적이다.

서비스의 규모가 커지고, 이용자 수가 늘어나게 되면 기존의 서버만으로는 원활한 서비스 동작이 불가능하게 되고, 이에 대처할 수 있는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다.

  • 기존의 서버 성능을 확장하는 Scale-up 방식
  • 기존의 서버와 동일하거나 낮은 성능의 서버를 증설하는 Scale-out 방식싱

이때 Scale-out 방식을 통해 증가한 트래픽에 대처하기로 했다면, 여러 대의 서버로 트래픽을 균등하게 분산해주는 로드 밸런싱이 반드시 필요하다.

로드 밸런싱 기법

로드 밸런싱 기법은 여러 가지가 있다. 서버의 능력을 고려하여 분배해야 하기 때문에 서버의 상황에 맞춰 적절한 방법을 선택해야 한다.

  • 라운드로빈 방식(Round Robin Method)

    서버에 들어온 요청을 순서대로 돌아가며 배정하는 방식이다. 클라이언트의 요청을 순서대로 분배하기 때문에 여러 대의 서버가 동일한 스펙을 갖고 있고, 서버와의 연결(세션)이 오래 지속되지 않는 경우에 활용하기 적합하다.

  • 가중 라운드로빈 방식(Weighted Round Robin Method)

    각각의 서버마다 가중치를 매기고 가중치가 높은 서버에 클라이언트 요청을 우선적으로 배분한다. 주로 서버의 트래픽 처리 능력이 상이한 경우 사용되는 부하 분산 방식이다. 예를 들어 A라는 서버가 5라는 가중치를 갖고 B라는 서버가 2라는 가중치를 갖는다면, 로드 밸런서는 라운드로빈 방식으로 A 서버에 5개 B 서버에 2개의 요청을 전달한다.

  • IP 해시 방식(IP Hash Method)

    클라이언트의 IP 주소를 특정 서버로 매핑하여 요청을 처리하는 방식이다. 사용자의 IP를 해싱해(Hashing, 임의의 길이를 지닌 데이터를 고정된 길이의 데이터로 매핑하는 것, 또는 그러한 함수) 로드를 분배하기 때문에 사용자가 항상 동일한 서버로 연결되는 것을 보장한다.

  • 최소 연결 방식(Least Connection Method)

    요청이 들어온 시점에 가장 적은 연결상태를 보이는 서버에 우선적으로 트래픽을 배분한다. 자주 세션이 길어지거나, 서버에 분배된 트래픽들이 일정하지 않은 경우에 적합한 방식이다.

  • 최소 응답 시간 방식(Least Response Time Method)

    서버의 현재 연결 상태와 응답 시간(Response Time, 서버에 요청을 보내고 최초 응답을 받을 때까지 소요되는 시간)을 모두 고려하여 트래픽을 배분한다. 가장 적은 연결 상태와 가장 짧은 응답 시간을 보이는 서버에 우선적으로 로드를 배분하는 방식이다.

L4 로드 밸런싱과 L7 로드 밸런싱

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로드 밸런싱에는 L4 로드 밸런싱과 L7 로드 밸런싱이 가장 많이 활용된다.

먼저 L4와 L7이 무엇을 의미하는지부터 알아보자.

L4, L7은 각각 Layer 4(전송 계층) 프로토콜과 Layer 7(응용 계층) 프로토콜의 헤더를 부하 분산에 이용하기 때문에 붙은 접두사이다. 모든 요청을 L4 혹은 L7 로드 밸런서가 받아 서버들에게 적절히 나누어 준다.

L4 로드 밸런서는 네트워크 계층(IP, IPX)이나 전송 계층(TCP, UDP)의 정보(IP주소, 포트번호, MAC주소, 전송 프로토콜)를 바탕으로 로드를 분산한다.

L7 로드 밸런서는 애플리케이션 계층(HTTP, FTP, SMTP)에서 로드를 분산하기 때문에 HTTP 헤더, 쿠키 등과 같은 사용자의 요청을 기준으로 특정 서버에 트래픽을 분산하는 것이 가능하다. 쉽게 말해 패킷의 내용을 확인하고 그 내용에 따라 로드를 특정 서버에 분배하는 것이 가능한 것이다. URL에 따라 부하를 분산시키거나, HTTP 헤더의 쿠키 값에 따라 부하를 분산하는 등 클라이언트의 요청을 보다 세분화해 서버에 전달할 수 있다.

또한 L7 로드 밸런서의 경우 특정한 패턴을 지닌 바이러스를 감지해 네트워크를 보호할 수 있으며, DoS/DDoS와 같은 비정상적인 트래픽을 필터링할 수 있어 네트워크 보안 분야에서도 활용되고 있다.

마무리

로드 밸런서를 이용한 부하 분산을 통해 가용성 및 응답 시간을 최적화시킴으로써 안정적인 서비스를 구축해보자.

Reference

https://server-talk.tistory.com/118

https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=27046347&memberNo=2521903

https://aws-hyoh.tistory.com/entry/Server-Load-Balancing-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0