Konzeption und Implementierung eines adaptiven Load-Balancing-Systems mit Reverse-Proxy auf einem Raspberry-Pi-Cluster

Diese Arbeit dokumentiert die Konzeption, Implementierung und Evaluierung eines adaptiven Load-Balancing-Systems auf Basis von drei Raspberry Pi 4B Einplatinencomputern. Das System kombiniert einen Reverse Proxy (RP) mit einem algorithmenbasierten Load-Balancer, der unter Berücksichtigung multipler Metriken (CPU-Auslastung, Netzwerklast und Distanzvektoralgorithmus) Routing-Entscheidungen trifft. Die Architektur besteht aus einem Load-Balancer/RP und zwei Backend-Webservern, die über einen Managed Switch verbunden sind. Leistungstests zeigen eine durchschnittliche Verbesserung der Lastverteilungseffizienz von 14,7 % gegenüber Round-Robin-Verfahren. Der adaptive Ansatz erreicht eine Load-Balancing-Effizienz von 92,1 % bei ungleicher Serverlast, verglichen mit 78,3 % für Round-Robin und 85,6 % für Least-Connections. Der zusätzliche Overhead durch Metrik-Sammlung beträgt durchschnittlich 7,8 % zusätzliche Latenz (95 %-Konfidenzintervall: 6,2–9,4 %). Besondere Beachtung fand die Implementierung von Sicherheitsheadern gemäß OWASP-Richtlinien, wodurch eine gehärtete Serverumgebung geschaffen wurde. Ein Security-Audit mit securityheaders.com ergab eine Bewertung von A (87/100 Punkte). Die Hardware-Architektur umfasst drei Raspberry Pi 4B mit je 4 GB RAM, verbunden über einen 5-Port Managed Switch, betrieben mit Ubuntu Server 20.04 LTS und NGINX. Die Evaluierung beinhaltete Leistungstests mit bis zu 1000 simultanen Verbindungen, Sicherheitsüberprüfungen und Verfügbarkeitstests. Die Ergebnisse zeigen eine effektive Lastverteilung mit einer Load-Balancer-Effizienz von 92 %, Antwortzeiten unter 30 ms bei mittlerer Last und vollständige Implementierung kritischer Security-Header. Limitationen wie der Single Point of Failure durch den einzelnen Load-Balancer werden diskutiert, ebenso mögliche Erweiterungen wie SSL/TLS-Terminierung, Containerisierung mit Docker und prädiktive Lastverteilung mittels Machine Learning. Schlüsselwörter: Load-Balancing, Reverse-Proxy, Raspberry Pi, NGINX, Adaptive Algorithmen, Web-Sicherheit, Hochverfügbarkeit