Cân bằng tải (Load balancing) là gì? Nguyên lý hoạt động, phân loại và thiết bị phổ biến

Cân bằng tải (Load balancing) là giải pháp chia đều lưu lượng truy cập cho nhiều máy chủ hoặc nhiều đường truyền Internet, giúp hệ thống không bị quá tải và luôn hoạt động ổn định. Từ website thương mại điện tử đến mạng văn phòng, khách sạn, cân bằng tải đều đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ và đảm bảo dự phòng. Cùng Việt Tuấn tìm hiểu cân bằng tải là gì, nguyên lý hoạt động và lợi ích của thiết bị cân bằng tải trong bài viết dưới đây.

Cân bằng tải (Load balancing) là gì?

Cân bằng tải (Load balancing) là kỹ thuật phân phối lưu lượng truy cập hoặc khối lượng công việc lên nhiều tài nguyên cùng loại, như nhiều máy chủ hoặc nhiều đường truyền Internet. Thiết bị hoặc phần mềm làm nhiệm vụ này gọi là bộ cân bằng tải (load balancer), đứng giữa người dùng và các tài nguyên phía sau.

Bộ cân bằng tải liên tục theo dõi tình trạng từng tài nguyên, chỉ chuyển lưu lượng tới tài nguyên đang hoạt động bình thường và tự loại bỏ tài nguyên gặp sự cố. Vì vậy, hệ thống phản hồi nhanh hơn, không bị quá tải vào giờ cao điểm và vẫn chạy khi một máy chủ hay một đường mạng ngừng hoạt động.

Có thể hình dung bộ cân bằng tải như người điều phối ở một siêu thị có 10 quầy thu ngân. Không có người điều phối, khách dồn vào quầy gần cửa trong khi quầy khác vắng. Có người điều phối, mỗi khách được chỉ tới quầy đang rảnh và quầy nào hỏng máy sẽ được tạm đóng lối vào.

Mục đích của cân bằng tải:

• Giảm tải cho từng server
• Tăng khả năng chịu traffic
• Tăng tính sẵn sàng
• Khi một server lỗi, có thể chuyển traffic sang server khác
• Phòng chống nghẽn mạng và tối ưu băng thông (đối với WAN Load Balancing)

Phân loại cân bằng tải/Load Balancing

Load Balancing được triển khai theo nhiều mô hình tùy vào đối tượng cần phân phối lưu lượng. Phổ biến nhất là Server Load Balancing (SLB) và WAN Load Balancing.

Server Load Balancing (SLB)

Server Load Balancing là giải pháp phân phối các yêu cầu truy cập từ người dùng đến nhiều máy chủ trong hệ thống. Load Balancer sẽ tiếp nhận request, kiểm tra tình trạng hoạt động của các server và lựa chọn máy chủ phù hợp để xử lý. Do đó, hệ thống có thể giảm tải cho từng server, tăng khả năng chịu tải và duy trì dịch vụ khi một máy chủ gặp sự cố.

Mô hình này thường được sử dụng cho website có lượng truy cập lớn, hệ thống ứng dụng, máy chủ web, máy chủ API và các dịch vụ yêu cầu tính sẵn sàng cao.

WAN Load Balancing

WAN Load Balancing phân phối lưu lượng mạng qua nhiều đường truyền WAN/Internet từ các nhà mạng (ISP) khác nhau. Router hoặc Firewall chia traffic giữa hai hoặc nhiều đường Internet theo chính sách được cấu hình và tự chuyển sang đường còn lại khi một đường gặp sự cố.

Lưu ý: WAN Load Balancing chia theo phiên kết nối, nên tổng băng thông của văn phòng tăng nhưng một lượt tải đơn lẻ vẫn chỉ chạy trên một đường. Muốn một kết nối dùng được băng thông của nhiều đường cùng lúc cần công nghệ bonding (ví dụ SpeedFusion của Peplink), thường phải có thiết bị hoặc dịch vụ đầu cuối ở phía bên kia.

Cân bằng tải hoạt động như thế nào?

Dù là máy chủ hay đường truyền, mọi bộ cân bằng tải đều làm 3 việc: nhận lưu lượng, kiểm tra tài nguyên nào đang khỏe, rồi chia lưu lượng theo một thuật toán.

WAN Load Balancing - Cân bằng tải đường truyền Internet

WAN Load Balancing là giải pháp phân phối lưu lượng mạng qua nhiều đường truyền Internet (WAN) khác nhau từ các nhà mạng (ISP). Thay vì phụ thuộc vào một đường truyền duy nhất, thiết bị Router hoặc Firewall cân bằng tải sẽ tự động chia nhỏ traffic giữa các đường WAN dựa trên chính sách được thiết lập sẵn. Giải pháp này giúp tận dụng tối đa tổng băng thông, chống nghẽn mạng và đảm bảo kết nối Internet của doanh nghiệp luôn thông suốt 24/7 (nếu một đường mạng gặp sự cố đứt cáp, hệ thống sẽ lập tức tự động chuyển hướng traffic sang đường còn lại).

Server Load Balancing (SLB) - Cân bằng tải máy chủ

Load balancing đứng giữa người dùng và nhóm máy chủ. Người dùng chỉ biết một địa chỉ duy nhất (IP ảo, VIP), không biết phía sau có bao nhiêu máy chủ.

1. Người dùng gửi request tới địa chỉ VIP của load balancing.
2. Load balancing kiểm tra tình trạng từng máy chủ bằng health check 
3. Load balancing chọn máy chủ phù hợp theo thuật toán đã cấu hình, chỉ trong số máy chủ đang khỏe.
4. Request được chuyển tới máy chủ đó; phản hồi đi ngược qua load balancing về người dùng.
5. Nếu một máy chủ hỏng, load balancing tự loại nó khỏi danh sách và dồn lưu lượng sang máy còn lại, người dùng không nhận ra.

Với các ứng dụng cần giữ phiên đăng nhập hoặc giỏ hàng, load balancer dùng session persistence để đưa một người dùng về đúng một máy chủ trong suốt phiên làm việc.

Các mô hình triển khai Load Balancing phổ biến

Cùng một chức năng cân bằng tải có thể triển khai trên 3 hình thức đó là: thiết bị phần cứng, phần mềm/máy ảo hoặc dịch vụ đám mây.

Những lợi ích khi sử dụng cân bằng tải

Khi sử dụng thiết bị mạng cân bằng tải, bạn và khách hàng có thể nhận được các lợi ích như sau:

• Giúp người dùng ngăn chặn những sự cố quá tải trên các máy chủ và đường truyền internet, đảm bảo đường truyền internet được ổn định, linh hoạt đồng thời khả năng mở rộng hệ thống.
• Mở rộng mạng lưới Internet: Với một router cân bằng tải, hàng chục tới hàng trăm người có thể cùng lúc truy cập mạng Internet hoặc wifi một cách dễ dàng và nhanh chóng, đặc biệt ở các môi trường công cộng như doanh nghiệp, trường học, bệnh viện.
• Khả năng dự phòng cho hệ thống: Với các tính năng hiện đại, sản phẩm giúp làm tăng tính an toàn, từ đó ngăn chặn các sự cố gây gián đoạn dịch vụ tại các điểm cung cấp mạng.
• Tăng tính bảo mật cao: Bộ định tuyến router còn có khả năng ngăn chặn người dùng giao tiếp trực tiếp với các máy chủ, nhằm ngăn chặn sự xâm nhập trái phép của hacker để đánh cắp thông tin nội bộ quan trọng.

Ứng dụng của Cân bằng tải/Load Balancing

Cân bằng tải là một giải pháp thiết yếu trong nhiều hệ thống công nghệ hiện đại, đặc biệt phổ biến trong các ứng dụng web. Trong môi trường này, Load Balancing loại phần mềm hoặc triển khai trên nền tảng đám mây giúp phân phối lưu lượng truy cập Internet đồng đều giữa các máy chủ lưu trữ ứng dụng.

Ngoài ra, nhiều dịch vụ cân bằng tải đám mây còn hỗ trợ cân bằng tải toàn cầu (Global Server Load Balancing - GSLB), cho phép điều phối lưu lượng đến các server được đặt ở nhiều quốc gia khác nhau. Người dùng luôn được kết nối với server gần nhất về mặt địa lý, giảm độ trễ và tối ưu hóa tốc độ phản hồi.

Cân bằng tải còn được sử dụng rộng rãi trong các mạng nội bộ quy mô lớn như trong trung tâm dữ liệu hoặc các tòa nhà văn phòng lớn. Ngày trước, các hệ thống này sử dụng thiết bị phần cứng chuyên dụng như Application Delivery Controller (ADC) hoặc các thiết bị cân bằng tải vật lý. Tuy nhiên, ngày nay, các giải pháp phần mềm cũng ngày càng được ưa chuộng vì tính linh hoạt, dễ triển khai và khả năng tích hợp tốt với hạ tầng hiện đại.

Các thiết bị cân bằng tải phổ biến hiện nay

Thiết bị cân bằng tải trên thị trường chia làm 2 nhóm: ADC cho máy chủ và ứng dụng, router cân bằng tải cho đường truyền internet.

Thiết bị cân bằng tải máy chủ (ADC)

ADC (Application Delivery Controller) đặt trong phòng máy chủ hoặc data center, ngay trước cụm máy chủ. Thiết bị được đánh giá qua thông lượng L4/L7, số giao dịch SSL mỗi giây, và thường tích hợp thêm WAF, GSLB, tăng tốc ứng dụng.

• F5 BIG-IP: Thương hiệu dẫn đầu thị trường ADC. Module LTM đảm nhiệm cân bằng tải, có thể bổ sung Advanced WAF, DNS/GSLB. Phù hợp ngân hàng, viễn thông, data center lớn.
• Fortinet FortiADC: Cân bằng tải L4/L7, GSLB, cân bằng tải đường truyền và WAF trong một thiết bị. Phù hợp doanh nghiệp đang dùng firewall FortiGate.
• Progress Kemp LoadMaster: Dễ cấu hình, có sẵn mẫu cho Microsoft Exchange, SharePoint, nhiều lựa chọn máy ảo. Phù hợp doanh nghiệp vừa.
• A10 Thunder ADC: Hiệu năng cao, mạnh về xử lý SSL, có bảo vệ tấn công tầng ứng dụng. Nhu cầu chống DDoS quy mô lớn dùng dòng chuyên dụng A10 Thunder TPS. Phù hợp nhà mạng, nhà cung cấp dịch vụ.
• NetScaler ADC: Trước đây là Citrix ADC, tối ưu cho hạ tầng máy tính ảo và ứng dụng ảo hóa.
• Barracuda Load Balancer ADC: Tích hợp sẵn bảo mật ứng dụng từ Barracuda WAF, giao diện đơn giản. Phù hợp doanh nghiệp vừa cần vừa chia tải vừa bảo vệ website.

Router cân bằng tải đường truyền internet

Router cân bằng tải đặt ở biên mạng văn phòng, nhận 2 hoặc nhiều đường internet từ các nhà mạng khác nhau. Thiết bị được đánh giá qua số cổng WAN, thông lượng NAT và số người dùng đồng thời.

• MikroTik: Hãng đến từ Latvia, hệ điều hành RouterOS cấu hình cân bằng tải rất linh hoạt (PCC, failover), hiệu năng cao so với giá. Phù hợp văn phòng, tòa nhà có đội ngũ IT trình độ cao.
• Draytek: Thành lập năm 1997 tại Đài Loan. Dòng Vigor dễ cấu hình, tích hợp VPN, quản lý băng thông. Phù hợp doanh nghiệp vừa và nhỏ.
• Ubiquiti: Các gateway UniFi hỗ trợ nhiều cổng WAN với cân bằng tải và failover, quản lý tập trung cùng hệ sinh thái UniFi. Phù hợp tổ chức đang dùng wifi, switch UniFi.
• Peplink: Chuyên giải pháp đa kết nối, gộp cáp quang, DSL, 4G/5G, vệ tinh, công nghệ SpeedFusion gộp nhiều đường cho cùng một kết nối. Phù hợp chuỗi cửa hàng, xe lưu động, nơi không được phép mất mạng.

Với bài toán cân bằng tải máy chủ, các thương hiệu ADC phổ biến là F5 BIG-IP, FortiADC, Kemp LoadMaster, A10 Thunder ADC, NetScaler ADC và Barracuda Load Balancer ADC

Với văn phòng và doanh nghiệp tại Việt Nam, 4 thương hiệu router cân bằng tải được dùng nhiều nhất là MikroTik, Draytek, Ubiquiti và Peplink. 

Xem thêm: Top 4 thương hiệu router cân bằng tải được ưa chuộng

Cách chọn thiết bị cân bằng tải phù hợp

Với router cân bằng tải đường truyền, cân nhắc:

• Số người dùng đồng thời và thông lượng NAT: Thiết bị phải chịu được tổng băng thông của tất cả các đường cộng lại, không chỉ một đường.
• Số cổng WAN: Đủ cho số nhà mạng hiện có và dự kiến thêm; có cổng SFP nếu dùng cáp quang trực tiếp, có khe SIM nếu cần 4G/5G dự phòng.
• Khả năng quản trị của đội IT: MikroTik linh hoạt nhưng cần người cấu hình giỏi. DrayTek, UniFi dễ dùng hơn qua giao diện web.

Với ADC cân bằng tải máy chủ, cân nhắc:

• Thông lượng L4, L7 và SSL TPS ở thời điểm cao điểm, cộng dự phòng tăng trưởng 2-3 năm.
• Tính năng cần thêm: WAF, GSLB, chống DDoS, tăng tốc ứng dụng thường là module hoặc license riêng.
• Hình thức triển khai: Thiết bị vật lý, máy ảo hay đám mây; có cần chạy cặp HA (active–standby) để tránh chính ADC trở thành điểm lỗi duy nhất.
• Hệ sinh thái sẵn có: Đang dùng FortiGate thì FortiADC dễ tích hợp. Hạ tầng ảo hóa Citrix thì NetScaler phù hợp hơn.

Kết luận

Tóm lại, Cân bằng tải (Load Balancing) là giải pháp quan trọng để phân chia lượng truy cập, giúp đảm bảo tính sẵn sàng, khả năng mở rộng và hiệu suất của các hệ thống. Bằng cách phân phối đều lượng truy cập, Load Balancing đảm bảo rằng không có máy chủ nào bị quá tải, từ đó duy trì hiệu suất cao và giảm thiểu tối đa thời gian gián đoạn dịch vụ. Trong bối cảnh công nghệ phát triển không ngừng,  ứng dụng Load Balancing ngày càng trở nên quan trọng, giúp các doanh nghiệp và tổ chức xây dựng những hệ thống mạnh mẽ, linh hoạt, luôn sẵn sàng đáp ứng mọi yêu cầu của người dùng trong môi trường kỹ thuật số hiện nay.