Usando balanceamento de carga para aplicativos altamente disponíveis

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Arquitetura de aplicativo

O aplicativo inclui os seguintes componentes do Compute Engine:

• Rede VPC : uma rede virtual dentro Google Cloud que pode fornecer conectividade global através de suas próprias rotas e regras de firewall.
• Regra de firewall : a Google CloudO firewall permite permitir ou negar tráfego para suas instâncias.
• Modelo de instância : um modelo usado para criar cada instância de VM no grupo de instâncias gerenciadas.
• Grupo regional de instâncias gerenciadas : um grupo de instâncias de VM que executam o mesmo aplicativo em diversas zonas.
• Endereço IP externo estático global : um endereço IP estático acessível em redes externas e que pode ser anexado a um recurso global.
• Balanceador de carga global : um balanceador de carga que permite que instâncias de back-end sejam distribuídas em várias regiões. Use um balanceador de carga global quando seus usuários precisarem de acesso aos mesmos aplicativos e conteúdos e você quiser fornecer acesso usando um único endereço IP anycast.
• Verificação de integridade : uma política usada pelo balanceador de carga para avaliar a capacidade de resposta do aplicativo em cada instância de VM.

Iniciando o aplicativo da web

Este tutorial usa um aplicativo da web armazenado no GitHub. Se quiser saber mais sobre como o aplicativo foi implementado, consulte o repositório GoogleCloudPlatform/python-docs-samples no GitHub.

Inicie o aplicativo Web em cada VM em um grupo de instâncias incluindo um script de inicialização em um modelo de instância. Além disso, execute o grupo de instâncias em uma rede VPC dedicada para evitar que as regras de firewall deste tutorial interfiram em quaisquer recursos existentes em execução no seu projeto.

Crie uma rede VPC

O uso de uma rede VPC protege os recursos existentes no seu projeto contra serem afetados pelos recursos que você criará para este tutorial. Uma rede VPC também é necessária para restringir o tráfego de entrada para que ele passe pelo balanceador de carga.

Crie uma rede VPC para encapsular as regras de firewall para o aplicativo Web de demonstração:

1. No console do Google Cloud, acesse a página de redes VPC .

   Acesse redes VPC

2. Clique em Criar rede VPC .

3. Em Nome , insira web-app-vpc .

4. Defina o modo de criação de sub-rede como Automático .

5. Na parte inferior da página, clique em Criar .

Aguarde até que a rede VPC termine de ser criada antes de continuar.

Crie uma regra de firewall

Após a criação da rede VPC, configure uma regra de firewall para permitir o tráfego HTTP para a rede VPC:

1. No console do Google Cloud, acesse a página Firewalls .

   Vá para Firewalls

2. Clique em Criar regra de firewall .

3. No campo Nome , insira allow-web-app-http .

4. Defina Rede como web-app-vpc .

5. Em Destinos , selecione Todas as instâncias na rede .

6. Defina o filtro de origem para IPv4 ranges .

7. Em Intervalos de IP de origem , insira 0.0.0.0/0 para permitir acesso a todos os endereços IP.

8. Em Protocolos e portas , faça o seguinte:

   1. Selecione Protocolos e portas especificados .
   2. Selecione TCP .
   3. No campo Portas , insira 80 para permitir acesso ao tráfego HTTP .

9. Clique em Criar .

Crie um modelo de instância

Crie um modelo que você usará para criar um grupo de instâncias de VM. Cada instância criada a partir do modelo inicia um aplicativo Web de demonstração por meio de um script de inicialização.

1. No console do Google Cloud, acesse a página Modelos de instância .

   Vá para modelos de instância

2. Clique em Criar modelo de instância .

3. Em Nome , insira load-balancing-web-app-template .

4. Em Machine configuration , defina o Machine type como e2-micro .

5. Em Firewall , selecione Permitir tráfego HTTP .

6. Expanda a seção Opções avançadas .

7. Expanda a seção Gerenciamento .

8. Na seção Automação , insira o seguinte script de inicialização:

   sudo apt update && sudo apt -y install git gunicorn3 python3-pip
   git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/python-docs-samples.git
   cd python-docs-samples/compute/managed-instances/demo
   sudo pip3 install -r requirements.txt
   sudo gunicorn3 --bind 0.0.0.0:80 app:app --daemon
   

   O script obtém, instala e inicia o aplicativo Web quando a instância da VM é inicializada.

9. Expanda a seção Rede .

10. Na seção Interfaces de rede , clique em Adicionar uma interface de rede e selecione a rede web-app-vpc . Isso força cada instância criada com este modelo a ser executada na rede criada anteriormente.

11. Clique em Criar .

Aguarde até que o modelo termine de ser criado antes de continuar.

Criar um grupo regional de instâncias gerenciadas

Para executar o aplicativo Web, use o modelo de instância para criar um grupo de instâncias gerenciadas regionalmente:

1. No console do Google Cloud, acesse a página Grupos de instâncias .

   Vá para grupos de instâncias

2. Clique em Criar grupo de instâncias .

3. Selecione Novo grupo gerenciado de instâncias (sem estado) ."

4. Para Nome , insira load-balancing-web-app-group .

5. Para Modelo de instância , selecione load-balancing-web-app-template .

6. Defina Número de instâncias como 6 . Se este campo estiver desativado, desative primeiro o escalonamento automático.

7. Para Localização , selecione Zonas múltiplas .

8. Para Região , selecione us-central1 .

9. Para Zonas , selecione as seguintes zonas na lista suspensa:

   • us-central1-b
   • us-central1-c
   • us-central1-f

10. Selecione Permitir redistribuição de instâncias .

11. Para o modo de escalonamento automático , selecione Desativado: não escalonar automaticamente .

12. Clique em Criar . Isso redireciona você de volta para a página Grupos de instâncias .

13. Para verificar se suas instâncias estão executando o aplicativo Web de demonstração corretamente:

    1. Na página Grupos de instâncias , clique em load-balancing-web-app-group para ver as instâncias nesse grupo.

    2. Em IP externo , clique em um endereço IP para conectar essa instância. Uma nova guia do navegador é aberta exibindo o aplicativo web de demonstração:

       

       Quando terminar, feche a guia do navegador do aplicativo web de demonstração.

Configurando o balanceador de carga

Para usar um balanceador de carga para direcionar o tráfego para seu aplicativo Web, você deve reservar um endereço IP externo para receber todo o tráfego de entrada. Em seguida, crie um balanceador de carga que aceite o tráfego desse endereço IP e redirecione esse tráfego para o grupo de instâncias.

Reserve um endereço IP estático

Use um endereço IP externo estático global para fornecer ao balanceador de carga um único ponto de entrada para receber todo o tráfego do usuário. O Compute Engine preserva endereços IP estáticos mesmo se você alterar ou excluir qualquer afiliado Google Cloud recursos. Isso permite que o aplicativo Web sempre tenha o mesmo ponto de entrada, mesmo que outras partes do aplicativo Web possam mudar.

1. No console do Google Cloud, acesse a página de endereços IP .

   Vá para endereços IP

2. Clique em Reservar endereço IP estático externo .

3. No campo Nome , insira web-app-ipv4 .

4. Defina a versão IP como IPv4 .

5. Defina Tipo como Global .

6. Clique em Reservar .

Crie um balanceador de carga

Esta seção explica as etapas necessárias para criar um balanceador de carga global que direciona o tráfego HTTP.

Este balanceador de carga usa um front-end para receber o tráfego de entrada e um back-end para distribuir esse tráfego para instâncias íntegras. Como o balanceador de carga é composto por vários componentes, essa tarefa é dividida em diversas partes:

• Configuração de back-end
• Configuração de front-end
• Revise e finalize

Conclua todas as etapas para criar o balanceador de carga.

Inicie sua configuração

1. No console do Google Cloud, acesse a página Balanceamento de carga .

   Vá para Balanceamento de carga

2. Clique em Criar balanceador de carga .
3. Para Tipo de balanceador de carga , selecione Application Load Balancer (HTTP/HTTPS) e clique em Avançar .
4. Para Face pública ou interna , selecione Face pública (externa) e clique em Avançar .
5. Para implantação global ou de região única , selecione Melhor para cargas de trabalho globais e clique em Avançar .
6. Para geração do balanceador de carga , selecione Balanceador de carga de aplicativo externo global e clique em Avançar .
7. Clique em Configurar .

Configuração básica

1. Em Load balancer name , insira web-app-load-balancer .

Configuração de back-end

1. No painel esquerdo da página Criar balanceador de carga de aplicativo externo global , clique em Configuração de back-end .
2. Clique em Criar ou selecione serviços de back-end e buckets de back-end para abrir um menu suspenso. Clique em Serviços de back-end e em Criar um serviço de back-end .
3. Na nova janela, para o Nome do aplicativo back-end, insira web-app-backend .
4. Defina o grupo de instâncias como load-balancing-web-app-group .
5. Defina os números das portas como 80 . Isso permite o tráfego HTTP entre o balanceador de carga e o grupo de instâncias.
6. Em Modo de balanceamento , selecione Utilização .
7. Clique em Concluído para criar o backend.

8. Crie a verificação de integridade do back-end do balanceador de carga:

   1. Em Verificação de integridade , selecione Criar uma verificação de integridade (ou Criar outra verificação de integridade ) no menu suspenso. Uma nova janela é aberta.
   2. Na nova janela em Name , insira web-app-load-balancer-check .
   3. Defina o protocolo como HTTP .
   4. Em Porta , insira 80 .
   5. Para este tutorial, defina o caminho da solicitação como /health , que é um caminho ao qual o aplicativo Web de demonstração está configurado para responder.

   6. Defina os seguintes critérios de integridade :

      1. Defina o intervalo de verificação para 3 segundos. Isso define a quantidade de tempo desde o início de uma sondagem até o início da próxima.
      2. Defina o tempo limite para 3 segundos. Isso define a quantidade de tempo que Google Cloud aguarda uma resposta a uma sonda. Seu valor deve ser menor ou igual ao intervalo de verificação.
      3. Defina Limiar Saudável para 2 sucessos consecutivos. Isso define o número de análises sequenciais que devem ser bem-sucedidas para que a instância seja considerada íntegra.
      4. Defina Limite Insalubre para 2 falhas consecutivas. Isso define o número de análises sequenciais que devem falhar para que a instância seja considerada não íntegra.

   7. Clique em Salvar e continue a criar a verificação de integridade.

9. Clique em Criar para criar o serviço de back-end.

Configuração de front-end

1. No painel esquerdo da página Criar balanceador de carga de aplicativo externo global , clique em Configuração de front-end .
2. Na página de configuração do Frontend , em Name , insira web-app-ipv4-frontend .
3. Defina o protocolo como HTTP .
4. Defina a versão IP para IPv4 .
5. Defina o endereço IP como web-app-ipv4 .
6. Defina a porta como 80 .
7. Clique em Concluído para criar o frontend.

Revise e finalize

1. Verifique suas configurações de balanceamento de carga antes de criar o balanceador de carga:

   1. No painel esquerdo da página Criar balanceador de carga de aplicativo externo global , clique em Revisar e finalizar .

   2. Na página Revisar e finalizar , verifique as seguintes configurações de back-end :

      • O serviço de back-end é web-app-backend .
      • O protocolo Endpoint é HTTP .
      • A verificação de integridade é web-app-load-balancer-check .
      • O grupo de instâncias é load-balancing-web-app-group .

   3. Na mesma página, verifique se o Frontend usa um endereço IP com protocolo HTTP .

2. No painel esquerdo da página Criar balanceador de carga de aplicativo externo global , clique em Criar para concluir a criação do balanceador de carga.

Talvez seja necessário aguardar alguns minutos para que o balanceador de carga termine de ser criado.

Simulando uma interrupção zonal

Você pode observar a funcionalidade do balanceador de carga simulando a indisponibilidade generalizada de uma interrupção zonal. Esta simulação funciona forçando todas as instâncias localizadas em uma zona especificada a relatar um status não íntegro no caminho da solicitação /health . Quando essas instâncias relatam um status não íntegro, elas falham na verificação de integridade do balanceamento de carga, solicitando que o balanceador de carga pare de direcionar o tráfego para essas instâncias.

1. Monitore para quais zonas o balanceador de carga está direcionando o tráfego.

   1. No console do Google Cloud, acesse Cloud Shell .

      Abra o Cloud Shell

      O Cloud Shell é aberto em um painel do console do Google Cloud. Pode levar alguns segundos para a sessão inicializar.

   2. Salve o endereço IP externo estático do seu balanceador de carga:

      1. Obtenha o endereço IP externo da regra de encaminhamento de front-end do balanceador de carga digitando o seguinte comando em seu terminal:

         gcloud compute forwarding-rules describe web-app-ipv4-frontend --global
         

         Copie EXTERNAl_IP_ADDRESS da saída:

         IPAddress: EXTERNAl_IP_ADDRESS
         ...
         

      2. Crie uma variável bash local:

         export LOAD_BALANCER_IP=EXTERNAl_IP_ADDRESS
         

         onde EXTERNAl_IP_ADDRESS é o endereço IP externo que você copiou.

   3. Para monitorar para quais zonas o balanceador de carga está direcionando o tráfego, execute o seguinte script bash:

      while true
      do
              BODY=$(curl -s "$LOAD_BALANCER_IP")
              NAME=$(echo -n "$BODY" | grep "load-balancing-web-app-group" | perl -pe 's/.+?load-balancing-web-app-group-(.+?)<.+/\1/')
              ZONE=$(echo -n "$BODY" | grep "us-" | perl -pe 's/.+?(us-.+?)<.+/\1/')
      
              echo $ZONE
      done
      

      Este script tenta continuamente se conectar ao aplicativo Web por meio do endereço IP do front-end do balanceador de carga e exibe em qual zona o aplicativo Web está sendo executado para cada conexão.

      A saída resultante deve incluir as zonas us-central1-b , us-central1-c e us-central1-f :

      us-central1-f
      us-central1-b
      us-central1-c
      us-central1-f
      us-central1-f
      us-central1-c
      us-central1-f
      us-central1-c
      us-central1-c
      

      Mantenha este terminal aberto.

2. Enquanto o monitor estiver em execução, comece a simular a interrupção zonal.

   1. No Cloud Shell, abra uma segunda sessão de terminal clicando no botão add Adicionar .

   2. Crie uma variável bash local para o ID do projeto:

      export PROJECT_ID=PROJECT_ID
      

      onde PROJECT_ID é o ID do projeto atual, que é exibido em cada nova linha no Cloud Shell:

      user@cloudshell:~ (PROJECT_ID)$
      

   3. Crie uma variável bash local para a zona que você deseja desabilitar. Para simular uma falha da zona us-central1-f , use o seguinte comando:

      export DISABLE_ZONE=us-central1-f
      

      Em seguida, execute o seguinte script bash. Esse script faz com que as instâncias do aplicativo Web de demonstração na zona desabilitada gerem respostas não íntegras para a verificação de integridade do balanceador de carga. Respostas não íntegras solicitam que o balanceador de carga direcione o tráfego para longe dessas instâncias.

      export MACHINES=$(gcloud --project=$PROJECT_ID compute instances list --filter="zone:($DISABLE_ZONE)" --format="csv(name,networkInterfaces[0].accessConfigs[0].natIP)" | grep "load-balancing-web-app-group")
      for i in $MACHINES;
      do
        NAME=$(echo "$i" | cut -f1 -d,)
        IP=$(echo "$i" | cut -f2 -d,)
        echo "Simulating zonal failure for zone $DISABLE_ZONE, instance $NAME"
        curl -q -s "http://$IP/makeUnhealthy" >/dev/null --retry 2
      done
      

      Após um pequeno atraso, o balanceador de carga para de direcionar o tráfego para as zonas não íntegras, de modo que a saída da primeira janela do terminal para de listar a zona us-central1-f :

      us-central1-c
      us-central1-c
      us-central1-c
      us-central1-b
      us-central1-b
      us-central1-c
      us-central1-b
      us-central1-c
      us-central1-c
      

      Isso indica que o balanceador de carga está direcionando o tráfego apenas para instâncias íntegras e responsivas.

      Mantenha ambos os terminais abertos.

   4. No segundo terminal, crie uma variável bash local para a zona que você deseja restaurar. Para restaurar o tráfego para a zona us-central1-f , use o seguinte comando:

      export ENABLE_ZONE=us-central1-f
      

      Em seguida, execute o seguinte script bash. Esse script faz com que as instâncias do aplicativo Web de demonstração na zona habilitada produzam respostas íntegras para a verificação de integridade do balanceador de carga. Respostas íntegras solicitam que o balanceador de carga comece a distribuir o tráfego de volta para essas instâncias.

      export MACHINES=$(gcloud --project=$PROJECT_ID compute instances list --filter="zone:($ENABLE_ZONE)" --format="csv(name,networkInterfaces[0].accessConfigs[0].natIP)" | grep "load-balancing-web-app-group")
      for i in $MACHINES;
      do
        NAME=$(echo "$i" | cut -f1 -d,)
        IP=$(echo "$i" | cut -f2 -d,)
        echo "Simulating zonal restoration for zone $ENABLE_ZONE, instance $NAME"
        curl -q -s "http://$IP/makeHealthy" >/dev/null --retry 2
      done
      

      Depois de alguns minutos, a saída da primeira janela do terminal lista gradualmente a zona us-central1-f novamente:

      us-central1-b
      us-central1-b
      us-central1-c
      us-central1-f
      us-central1-c
      us-central1-c
      us-central1-b
      us-central1-c
      us-central1-f
      

      Isso indica que o balanceador de carga está direcionando novamente o tráfego de entrada para todas as zonas.

      Feche ambos os terminais quando terminar.

(Opcional) Restringindo o tráfego de entrada

Ao criar o grupo de instâncias gerenciadas regionalmente, você poderá acessar cada instância diretamente por meio de seu endereço IP temporário externo. No entanto, agora que você preparou um balanceador de carga e um endereço IP externo estático, talvez queira modificar o firewall da rede para que o tráfego de entrada passe pelo balanceador de carga.

Se você quiser restringir o tráfego de entrada para o balanceador de carga, modifique o firewall da rede para desabilitar o endereço IP externo temporário para cada instância.

1. Edite a regra de firewall para restringir o tráfego HTTP para que o aplicativo Web só possa ser acessado usando o balanceador de carga:

   1. No console do Google Cloud, acesse a página Firewalls .

      Vá para Firewalls

   2. Em Nome , clique em allow-web-app-http .

   3. Clique em Editar .

   4. Modifique os intervalos de IP de origem para permitir apenas sondagens de verificação de integridade:

      1. Exclua 0.0.0.0/0 .
      2. Na mesma linha, insira 130.211.0.0/22 ​​e pressione Tab .
      3. Na mesma linha, insira 35.191.0.0/16 e pressione Tab .

   5. Clique em Salvar .

2. Verifique se não é possível conectar-se ao aplicativo Web usando o endereço IP externo efêmero para uma instância específica:

   1. No console do Google Cloud, acesse a página Grupos de instâncias .

      Vá para grupos de instâncias

   2. Clique em load-balancing-web-app-group para ver as instâncias nesse grupo.

   3. Em IP externo , clique em um endereço IP para conectar essa instância. Uma nova guia do navegador é aberta, mas o aplicativo Web não abre. (Eventualmente, a página mostrará um erro de tempo limite).

      Quando terminar, feche a guia do navegador da instância.

3. Verifique se você pode se conectar ao aplicativo Web usando o balanceador de carga:

   1. No console do Google Cloud, acesse a página Balanceamento de carga .

      Vá para Balanceamento de carga

   2. Em Name , clique em web-app-load-balancer para expandir o balanceador de carga que você acabou de criar.

   3. Para se conectar ao aplicativo da web por meio de endereços IP estáticos externos, procure em Frontend e IP:Port e copie o endereço IP. Em seguida, abra uma nova guia do navegador e cole o endereço IP na barra de endereços. Isso deve exibir o aplicativo web de demonstração:

      

      Observe que, sempre que você atualiza a página, o balanceador de carga se conecta a diferentes instâncias em zonas diferentes. Isso acontece porque você não está se conectando diretamente a uma instância; você está se conectando ao balanceador de carga, que seleciona a instância para a qual você será redirecionado.

      Quando terminar, feche a guia do navegador do aplicativo web de demonstração.