Особенности проектирования отказоустойчивых кластерных систем

Для повышения надежности вычислительных систем преимущественно используется 2 способа:
повышение степени надежности некоторых компонентов, например, жесткие диски, которые применяются в серверах, имеют намного больший срок наработки на отказ, нежели те, которые применяются в домашних ПК;
резервирование - все или крайне критичные компоненты дублируются. К примеру, винчестеры работают в RAID1 в «зеркальном режиме». Если происходит отказ одного жесткого диска, то сервер тут же переключается на второй диск [2].
Перечисленные пути повышения надежности считаются взаимодополняющими.
Кроме резервирования некоторых компонентов, содержащихся в сервере – модулей памяти, жестких дисков и так далее, могут резервироваться целые сервера. В таком случае два или больше серверов могут работать в группе для выполнения единой функции, что, в свою очередь, представляет собой вычислительный кластер, на котором выполняются пользовательские приложения.
В целом, кластер – это объединение ряда компонентов в общую сущность верхнего порядка, который выполняется как самостоятельная единица [3].
В вычислительной системе на основе технологий виртуализации обычно могут создаваться сразу несколько кластеров, которые выполняют разные функции, не только в качестве резервирования. Допустим, централизованное управление серверами (управленческий кластер), кластер автоматической балансировки нагрузки (DRS-кластер), кластер интеллектуального управления питанием и так далее.
На сегодняшний день становится возможным создание кластерного программного обеспечения, которое повышает надежность вычислительной системы, выстроенной на серверах общего предназначения посредством возможности гибкого размещения выполняющихся приложений, а также данных на всех узлах кластера. В частности, подобное ПО может обеспечивать:
перезапуск в автоматическом режиме виртуальных машин на работоспособных узлах кластера, если серверы, на которых они запускались, отказывают);
переброска виртуальных машин без остановки их выполнения между узлами кластера – динамическая миграция;
продолжение выполнения виртуальных машин при отказе сервера в составе кластера посредством синхронизации состояния виртуальных машин между двумя физическими серверами;
распределенные системы хранения информации, при которых информация, ее репликация хранится в едином дисковом пространстве (в логическом пуле) всех серверов кластера. Это позволяет устранить единую точку отказа при организации общей базы информации;
разные механизмы, которые помогают повысить отказоустойчивость сетевой связанности виртуальных машин в кластере, в том числе распределенный виртуальный коммутатор, синхронизация состояний tcp-сессий между узлами в кластере.
Прежде всего, обозначенные механизм и средства кластеризации могут применяться для того, чтобы повысить надежность виртуального пространства, применяемое для получения таких преимуществ технологий виртуализации, как повышение степени эффективности физических ресурсов, изоляция приложений друг от друга, применение несовместимых приложений на одной аппаратной платформе и так далее. В таком случае в виртуальном пространстве можно запустить множество виртуальных машин. Это приведет к снижению общей надежности системы по причине возникновения единой точки отказа – в форме единственного физического сервера

. Получается, что отказ данного сервера приведет к параллельному отказу в работе всех виртуальных машин, которые работают на основе данного сервера. А это значит, что остановятся все пользовательские серверы, которые предоставляли остановившиеся машины (Рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - Отказ единственного сервера с развернутым на нем виртуальным пространством
Для чего становится целесообразным при развертывании виртуального пространства использовать кластеры повышения надежности (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 - Отказ сервера в составе кластера с развернутым на нем виртуальным пространством
Далее, перечисленные механизмы и средства могут применяться для того, чтобы повышать степень доступности пользовательского сервиса по отдельности, который традиционно запускается на выделенном физическом сервере общего назначения (Рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 - Отказ выделенного сервера с запущенным на нем приложением
В таком случае указанные механизмы и средства будут обеспечивать работу пользовательского приложения в кластере. Это даст возможность быстро восстанавливать его на ином сервере кластера – при неполадках сервера, на котором приложение запускалось (Рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Отказ сервера в составе кластера с запущенным на нем приложением в виртуальной машине
Кластерные системы, которые применяются в центрах обработки информации, обычно состоят с 2-х и больше серверов общего предназначения. Они соединяются между собой коммутатором (или несколькими коммутаторами) второго уровня модели OSI (рисунок 1.5). Серверы в данном случае локализованы в едином месте (локальный кластер) либо располагаются на незначительном расстоянии друг от друга, например, на разных этажах (речь идет о территориальном кластере). В составе кластера может быть отдельный физический сервер или же выделенный дисковый массив, применяемый в качестве общего хранилища данных. Кроме того, вместо отдельно взятых физических серверов можно применять корзину с блейд-серверами, применяемыми для снижения занимаемого пространства.
Рисунок 1.5 - Вычислительный кластер на базе серверов общего назначения
Исходя из того, что можно создать высокоскоростные сетевые соединения без задержек, появляется возможность организовать и распределенную систему хранения данных с синхронным созданием резервных копий данных на прочих серверах. Каждая операция при синхронной репликации записи на диски не считается завершенной на дисках другого сервера. Следовательно, реплика на запасном сервере постоянно будет идентичной исходному положению.
Сегодня широко распространенными считаются схемы, в которых вычислительная инфраструктура на основе серверов общего назначения сконцентрирована не в одном месте, а в географически удаленных друг от друга центрах, филиалах обработки данных. К подобной организации отнесем метрокластер (кластер городского уровня – аренда стоек в ЦОД на разных концах города), а также геокластер (расположение устройств по разным странам и городам). Такое оборудование может объединяться посредством виртуальных каналов – на основе туннельных протоколов – через Интернет или через выделенные каналы 2-го, третьего уровня модели OSI