Như ta có thể thấy, luồng dữ liệu từ người dùng cuối tới thiết bị cân bằng tải, tới máy chủ thực sự phía sau và sau đó quay ngược trở lại người dùng cuối. Phần này sẽ phân chia quá trình đi của gói tin trên từng đoạn mạng để giúp cho việc hiểu rõ SLB hoạt động như thế nào.
SLB hoạt động bởi việc điều khiển gói tin trước và sau khi nó tới server thực sự phía sau. Việc này thực hiện một cách đơn giản bởi việc sử dụng địa chỉ IP đích và nguồn tại lớp 3 trong hoạt động sử lý được biết đến như là NAT (Network Address Translation).
Hình 2.8: Hành trình của một gói dữ liệu
Trong Hình 2.3, ta có thể thấy một gói dữ liệu có địa chỉ nguồn là 208.185.43.202 địa chỉ đích là 192.168.0.200. Bộ định tuyến sử dụng các thông tin này để chuyển tiếp dữ liệu trên mạng qua các trạm trung gian tới đích. Một vấn đề có tính chất quan trọng sống còn với SLB nói riêng và mạng TCP/IP nói chung là, khi gửi một gói dữ liệu tới một địa chỉ đích, gói dữ liệu đó cần phải có báo nhận lại với cùng địa chỉ nguồn và đích hay nói một cách khác, khi gửi một gói tin tới một máy đích, máy đích phải gửi ngược trở lại máy gửi với địa chỉ đích là máy gửi và địa chỉ nguồn là địa chỉ của chính máy nhận, nếu từ một địa chỉ khác gói dữ liệu sẽ bị loại bỏ. Nguyên tắc này không có ý nghĩa quan trọng với gói tin UDP do UDP sử dụng giao thức không hướng nối (Connectionless). Mặc dù vậy, phổ biến các SLB dựa trên giao thức hướng nối TCP.
Để sáng tỏ SLB hoạt động cụ thể như thế nào cùng xét một ví dụ cụ thể về cách thức một người dùng cuối truy cập tới máy chủ web đặt trong hệ thống SLB.
Như ta có thể thấy ở hình 2.3. một máy khách có địa chỉ 208.185.43.202, một VIP có địa chỉ 192.168.0.200 và máy chủ web thực sự có địa chỉ 192.168.0.100. Để duyệt web, người dùng cuối sử dụng một URL xác định vị trí của website cái mà ánh xạ tới địa chỉ của VIP là 192.168.0.200. Gói dữ liệu với địa chỉ nguồn 208.185.43.202 và địa chỉ đích là 192.168.0.200. Thiết bị cân bằng tải thay vì trả lời yêu cầu từ máy khách, nó lưu lại gói dữ liệu và viết lại thông tin điều khiển trong gói dữ liệu bằng việc thay đổi địa chỉ đích trong gói dữ liệu thành 192.168.0.100 sao cho chuyển tiếp được gói dữ liệu tới máy chủ web thật có địa chỉ 192.168.0.100. Như vậy trong giai đoạn 2 này địa nguồn là 208.185.43.202 và đích là 192.168.0.100. Máy chủ thực khi nhận được yêu cầu sẽ gửi thông tin phản hồi tới người dùng cuối. Trong giai đoạn 3 này địa chỉ nguồn trở thành 192.168.0.100 và đích trở thành 208.185.43.202, như vậy nảy sinh một vấn đề. Người dùng sẽ bỏ qua gói tin đáp lại từ địa chỉ 192.168.0.100 bởi kết nối không được gửi đến máy có địa chỉ đó mà đến địa chỉ 192.168.0.200. SLB giải quyết vấn đề này bằng cách thay đổi đường đi mặc định của máy chủ thực và thay đổi địa chỉ nguồn của gói tín thành địa chỉ của VIP 192.168.0.200 trước khi gửi trở lại máy khách. Trong giai đoạn 4 này địa chỉ nguồn là 192.168.0.200 và đích là 208.185.43.202. Với lần thay đổi thông tin cuối này, gói dữ liệu đã hoàn thành chuyến đi và khởi tạo thành công một kết nối. Nhìn từ phía máy khách, nó dường như chỉ là một kết nối thông thường tới đúng một máy chủ, mà không hề biết trong thực tế có thể có một vài đến hàng trăm máy chủ thực sự phía sau trả lời yêu cầu của nó. Có thể hình dung các bước theo mô tả ở bảng dưới đây.
Direct Server Return
DSR là một trong các phương pháp phân phối lưu lượng của các thiết bị cân bằng tải từ các kết nối bên ngoài. Phương pháp phân phối này làm tăng sự thực thi của thiết bị cân bằng tải bởi việc giảm một cách đáng kể lưu lượng đi qua thiết bị và quá trình xử lý viết lại thông tin điều khiển trong gói dữ liệu như các bước ở phần trên. DSR làm điều đó bởi việc bỏ qua giai đoạn 3 trong bảng xử lý ở trên. Bởi việc lợi dụng một máy chủ thực phía trong gửi ra ngoài một gói dữ liệu với địa chỉ nguồn đã được viết lại là địa chỉ
nguồn của VIP (trong trường hợp của này là 192.168.0.200). DSR thực hiện điều đó bằng cách điều khiển khung dữ liệu tại lớp 2 để thực hiện SLB. Xử lý đó được biết đến như là MAT (MAC Address Translation). Để hiểu xử lý đó và cách DSR làm việc như thế nào trước hết cần xem xét một số đặc tính của packets tại lớp 2 và mối liên quan của nó tới SLB.
Địa chỉ vật lý của Card mạng (Network Interface Card – NIC): Đó là một số 48 bit, thường được biểu diễn bằng 12 số hexa (cơ số 16), trong đó 24 bit đầu là mã số của công ty sản xuất Card mạng, còn 24 bit sau là số seri của từng Card mạng đối với một hãng sản xuất. Như vậy người ta bảo đảm không có hai Card mạng nào trùng nhau về địa chỉ vật lý, nói chính xác hơn là số “Identification” của từng Card mạng. Các số Identification này được lưu trong một chip ROM gắn trên mỗi Card mạng ngay từ khi sản xuất, nên còn gọi là “Burnt-in Address”, do đó người dùng không thể thay đổi được. Trên một mạng Ethernet, địa chỉ MAC giúp cho gói tin IP tìm đúng thiết bị vật lý cần nhận gói tin. DSR sử dụng sự kết hợp của MAT và một máy chủ được cấu hình đặc biệt để thực thi SLB mà không đi ra qua thiết bị cân bằng tải. Một máy chủ thực sự đã được cấu hình với một địa chỉ như cách làm việc thông thường, nhưng nó cũng được cấu hình với địa chỉ IP của VIP. Theo nguyên tắc hoạt động của mạng thì không thể tồn tại hai máy có cùng một địa chỉ IP bởi vì hai địa chỉ MAC không thể kết hợp tới cùng một địa chỉ IP. Để giải quyết vấn đề này, thay vì việc cấu hình địa chỉ IP của VIP tới giao diện mạng của máy chủ thực thì ta kết hợp nó với giao diên loopback. Giao diện loopback là một giao diện ảo sử dụng cho việc truyền thông bên trong của máy chủ và thông thường không có tác động tới cấu hình hay hoạt động của máy chủ. Địa chỉ IP của giao diện loopback thường là 127.0.0.1, mặc dù vậy có thể cấu hình nhiều địa chỉ IP trên cùng một giao diện (thường được biết đến như địa chỉ IP bí danh) và giao diện loopback cũng không nằm ngoài khả năng đó. Như vậy địa chỉ của VIP có thể được cấu hình trên giao diện loopback mà không ảnh hưởng tới hoạt động của mạng, không gây ra sự xung đột với máy chủ khác trong mạng.
Trong trường hợp SLB, máy chủ web hay các dịch vụ khác được cấu hình kết hợp với địa chỉ của VIP trên giao diện loopback chứ không phải địa chỉ trên giao diện vật lý của máy chủ. Bước tiếp theo thực tế yêu cầu có được lưu lượng tới giao diện loopback của máy chủ thực. Để giải quyết vấn đề này SLB sử dụng một kĩ thuật gọi là MAT (MAC address Translation). Như đã trình bày ở trên mọi máy trong mạng Ethernet đều có một địa chỉ MAC để xác định vị trí của nó trong mạng. Thiết bị cân bằng tải xử lý lưu lượng trên VIP và thay vì việc thay đổi địa chỉ IP đích như phương
pháp trên. DSR sử dụng MAT để biến đổi địa chỉ MAC đích. Máy chủ thông thường sẽ loại bỏ lưu lượng khi nó không có địa chỉ IP của VIP, nhưng trong giải pháp của SLB thì do địa chỉ của của VIP đã được cấu hình trên giao diện loopback của của máy chủ thực nên đã “lừa” được máy chủ chấp nhận lưu lượng gửi tới nó. Quá trình sử lý này giúp cho máy chủ khi gửi báo nhận lại cho máy khách vẫn đảm bảo có địa chỉ IP nguồn là địa chỉ của VIP do đó đã bỏ qua được giai đoạn 3 trong quá trình gửi dữ liệu trong phương pháp ở trên. Ta có thể hình dung toàn bộ quá trình trên qua bảng tóm tắt dưới đây.
NLB sử dụng hai lớp broadcast hoặc multicast để phân phối đồng thời lưu lượng mạng đến tất cả các host trong nhóm. Trong chế độ hoạt động mặc định là unicast, NLB sẽ gán địa chỉ trạm làm việc (địa chỉ MAC) cho card mạng để card mạng có thể hoạt động (card này gọi là card nhóm ? cluster adapter), và tất cả các host trong nhóm được gán cùng một địa chỉ MAC. Các gói đến do đó được nhận bởi tất cả các host trong nhóm và chuyển gói tới trình điều khiển cân bằng tải để lọc. Để đảm bảo tính duy nhất, địa chỉ MAC được dẫn xuất từ địa chỉ IP chính của nhóm. Ví dụ, với địa chỉ IP chính của nhóm là 1.2.3.4, địa chỉ MAC unicast được đặt là 02-BF-1-2-3-4. Trình điều khiển cân bằng tải sẽ tự động sửa địa chỉ MAC của card nhóm bằng cách thiết lập một thực thể đǎng ký và tái nạp trình điều khiển card nhóm. Hệ điều hành không cần phải khởi động lại. Nếu các host trong cluster được gắn vào một thiết bị chuyển mạch (swicth) chứ không phải một bộ tập trung (hub), việc sử dụng chung một địa chỉ MAC sẽ gây ra xung đột do các chuyển mạch lớp 2 chỉ có thể hoạt động khi các địa chỉ MAC nguồn trên tất cả các cổng của thiết bị chuyển mạch là duy nhất. Để tránh điều này, NLB sửa địa chỉ MAC nguồn cho các gói đầu ra là duy nhất, địa chỉ MAC của nhóm là 02- BF-1-2-3-4 được chuyển thành 02-h-1-2-3-4, trong đó h là mức ưu tiên của host trong nhóm. Kỹ thuật này ngǎn không cho thiết bị chuyển mạch tìm ra địa chỉ MAC thực sự của nhóm và kết quả là các gói đến nhóm được phân phối tới tất cả các cổng của thiết bị chuyển mạch. Nếu các host trong nhóm được kết nối trực tiếp vào một hub, mặt nạ địa chỉ MAC nguồn của NLB trong chế độ unicast có thể được vô hiệu hoá để tránh gây ra hiện tượng tràn cho các thiết bị chuyển mạch ở đường lên (upstream). Điều này có thể thực hiện bằng cách thiết lập tham số đǎng ký NLB là MaskSourceMAC=0. Việc sử
dụng hệ thống chuyển mạch đường lên ba mức cũng có thể hạn chế tràn cho các thiết bị chuyển mạch.
Chế độ unicast của NLB có thể làm vô hiệu hoá quá trình trao đổi thông tin giữa các host trong nhóm có sử dụng card nhóm. Khi các gói của một host được gửi đi với địa chỉ MAC đích giống địa chỉ MAC nguồn, các gói này sẽ bị quay vòng (loop-back) giữa các tầng giao thức mạng bên trong hệ thống phía gửi và không bao giờ ra đến đường truyền. Hạn chế này có thể tránh được bằng cách thêm một card mạng thứ hai cho mỗi host. Trong cấu hình này, NLB sử dụng một card mạng trên mạng con nhận các yêu cầu của client và một card mạng khác thường được đặt tách biệt trên mạng con cục bộ để trao đổi thông tin giữa các host trong nhóm và với các server cơ sở dữ liệu cũng như các file server gốc. NLB chỉ sử dụng card nhóm để truyền các bản tin "heartbeat" và lưu lượng điều khiển từ xa.
Chú ý rằng, trao đổi thông tin giữa các host trong nhóm và các host ngoài nhóm không bao giờ bị ảnh hưởng bởi chế độ unicast của NLB. Lưu lượng mạng đến một địa chỉ IP dành riêng cho host (trong card nhóm) được nhận bởi tất cả các host trong nhóm do chúng sử dụng chung một địa chỉ MAC. Do NLB không bao giờ cân bằng tải lưu lượng đối với các địa chỉ IP dành riêng, NLB sẽ lập tức phân phối lưu lượng này đến TCP/IP trên host đã định. Các host khác trong nhóm coi lưu lượng này là lưu lượng đã được cân bằng tải và sẽ loại bỏ lưu lượng này. Chú ý, nếu lưu lượng mạng đến quá lớn đối với các địa chỉ IP dành riêng có thể ảnh hưởng đến hiệu nǎng khi hệ thống NLB hoạt động trong chế độ unicast (tuỳ theo sự cần thiết đối với TCP/IP trong việc loại bỏ các gói không mong muốn).
Network Load Balancing (NLB)
NLB cung cấp chế độ thứ hai để phân phối lưu lượng mạng đến các host trong nhóm, chế độ multicast. Chế độ này gán địa chỉ multicast 2 lớp cho card nhóm thay vì thay đổi địa chỉ trạm làm việc của card. Ví dụ, địa chỉ MAC multicast sẽ được gán là 03-BF-1-2-3-4 tương ứng với địa chỉ IP chính là 1.2.3.4. Do mỗi host trong nhóm có một địa chỉ trạm làm việc duy nhất, chế độ này không cần một bộ card mạng thứ hai để trao đổi thông tin giữa các host trong nhóm và nó cũng không có bất cứ ảnh hưởng nào đến hiệu nǎng của toàn hệ thống do việc sử dụng các địa chỉ IP dành riêng.
Chế độ unicast của NLB gây ra tràn trên switch do sự phân phối đồng thời lưu lượng mạng trên tất cả các cổng. Tuy nhiên, chế độ multicast của NLB đưa ra cơ hội hạn chế tràn switch để người quản trị hệ thống có thể cấu hình một mạng LAN ảo trên
switch cho các cổng tương ứng với các host. Có thể làm được điều này bằng cách lập trình cho switch hoặc sử dụng giao thức IGMP hoặc giao thức GARP, GMRP.
NLB cần triển khai chức nǎng ARP để đảm bảo rằng địa chỉ IP chính của nhóm và các địa chỉ IP ảo khác có thể phân giải sang địa chỉ MAC multicast của nhóm. (Địa chỉ IP dành riêng sẽ tiếp tục phân giải sang địa chỉ trạm làm việc của card nhóm).