Кластерная структура сервера

Кластер представляет собой многомашинный компьютерный комплекс, который:

с точки зрения пользователя является единой системой;

обеспечивает высокую надежность (готовность к работе);

имеет общую файловую систему с элементами системы;

обладает свойством эффективной масштабируемости — роста производительности при добавлении ресурсов;

гибко перестраивается;

управляется (администрируется) как единая система.

Иногда «кластером» называют комплекс из двух компьютеров, один из которых делает полезную работу, а другой включен и находится в «горячем резерве» («hoi standby»).

Главными же качествами кластеров являются высокая готовность и масштабируемость. В отличие от систем с «горячим резервированием», все компьютеры в кластере не простаивают, а выполняют полезную работу. В результате затраты на дополнительное оборудование являются платой не только за надежность, но и за производительность.

Каждый компьютер в кластере остается относительно независимым. Его можно остановить и выключить для проведения, например, профилактических работ или установки дополнительного оборудования, не нарушая работоспособности кластера в целом. Тесное взаимодействие компьютеров, образующих кластер, часто именуемых узлами кластера, гарантирует максимальную производительность и минимальное время обработки менеджерских приложений.

При работе кластерной системы в составе МИС в случае сбоя программного обеспечения на одном узле приложение продолжает функционировать (либо автоматически перезапускается) па других узлах кластера. Отказ узла (или узлов) кластера по любой причине (включая ошибки персонала) не означает отказа кластера в целом; профилактические и ремонтные работы, реконфигурацию и смену версий программного обеспечения в большинстве случаев можно осуществлять на узлах кластера поочередно, не прерывая работы МИС па других узлах кластера. Простои МИС, которые не в состоянии предотвратить обычные информационные системы, в кластерных МИС выражаются обычно в некотором снижении производительности, если узлы выключаются из работы. Поскольку в случае сбоя приложения недоступны только на короткий промежуток времени, необходимый для переключения на другой узел кластера, готовность кластера к работе составляет 99,9% и выше. В больших МИС простои не более 8 часов в год.

Следует отметить, что применение широкодоступных средств повышения структурной аппаратной и программной отказоустойчивости (средства RAID, SMP, UPS и т. д.) вовсе не исключается при построении кластеров МИС, что дополнительно повышает их надежность.

Таким образом, в составе МИС кластер по несколько компьютеров, соединенных коммуникационным каналом и имеющих доступ к разделяемым общекластерным ресурсам, к которым, прежде всего, относятся дисковые накопители.

Общекластерные дисковые накопители обеспечивают возможность быстрого перезапуска приложений на разных узлах кластера и одновременной работы прикладных программ с одними и теми же данными, получаемыми с разных узлов кластера так, как если бы эти программы находились в оперативной памяти одного компьютера.

Коммуникационный канал кластера обеспечивает:

* скоординированное (непротиворечивое) использование общекластерных ресурсов;

взаимный контроль работоспособности узлов кластера;

обмен данными о конфигурации кластера и другой специфической «кластерной» информацией.

Интенсивность кластерной коммуникации зависит от степени интеграции узлов кластера и характера работающих на нем приложений МИС. В соответствии с этим варьируются и требования к коммуникационному каналу для разных типов кластеров и, следовательно, состав и стоимость дополнительного оборудования, необходимого для объединения «обычных» компьютеров в кластер. Если на разных узлах кластера выполняются разные или однотипные, но не взаимодействующие друг с другом приложения, и нет необходимости в одновременном доступе к одним и тем же дисковым накопителям, то обмен сообщениями сводится к периодической проверке работоспособности и обмену информацией об изменении конфигурации при добавлении в кластер новых узлов, перераспределении дисков. Для такого типа кластерных коммуникаций вполне подходит 10-мегабитный канал типа Ethernet. Ситуация существенно изменяется, когда требуется работа приложений на разных узлах кластера с одними и теми желанными. В этом случае необходимо обеспечивать координацию доступа к разделяемым ресурсам с тем, чтобы программы с разных узлов не пытались, например, одновременно модифицировать один и тот же файл или блок на диске. Обеспечивается эта координация специальным механизмомтак называемым менеджером распределенных блокировок (DLM — Distributed Lock Manager). Использование механизма DLM предполагает весьма интенсивный обмен сообщениями между узлами и, соответственно, требует более высокой производительности коммуникационного канала.

В различных кластерах применяется широкий спектр коммуникационных технологий, как стандартных (Ethernet, ATM и др.), так и специализированных (DSSI, Memory Channel), что позволяет выбирать конфигурации, оптимальные по цене и производительности. Для подключения дисковых накопителей в кластерах используется шина SCSI, шина Ultra SCSI с различной пиковой скоростью передачи данных, что обеспечивает минимальную стоимость систем.

Кластер сегодня — это не менее чем два сервера (узла) на базе процессора под управлением операционной системы и одна или несколько дисковых стоек, соединенных с обоими узлами высокопроизводительной общей шиной. Серверы, входящие в кластер, не обязательно должны иметь идентичную конфигурацию. В то же время существует «гомогенность» — однородность типа процессоров. При установлении кластерного программного обеспечения часто не требуется применения каких-либо нестандартных аппаратных устройств или специальных версий операционных систем.

Кластерная структура сервера организована так, чтобы уберечь развитые информационные и вычислительные комплексы от потери данных в результате сбоев питания, процессора, дисков. Временная неработоспособность компьютерного центра МИС, пусть даже не связанная с потерей данных, может привести к значительным убыткам. Высокая стоимость одного «простаивающего» сервера, включенного в состав систем резервирования, делает необходимыми кластерные технологии.

«Эталонные» кластеры обладают следующими свойствами.

Высокая надежность системных ресурсов. Процессы с отказавшей машины «подхватываются» и продолжают обрабатываться другими машинами (отработка отказа — failovcr) с целью обеспечения непрерывной работы пользователей и приложений.

Эффективная масштабируемость. В кластер могут добавляться дополнительные компьютеры, что является высокоэффективным и экономичным путем повышения производительности информационных систем.

Уменьшение затрат на обслуживание системы. Кластерная технология позволяет упростить управление большим количеством компьютеров, уменьшить затраты на резервное копирование и репликацию данных, а также предоставить доступ к некоторым периферийным устройствам большему количеству пользователей.

С точки зрения пользователя (клиента), кластер выглядит как единый сервер. Этот «сервер» имеет свое собственное имя (кластерное имяcluster alias), с которым и работают пользователи. Более того, они могут даже не знать подлинные имена серверов, составляющих кластер.

В кластерах применяется логика объектов и групп. Объектом в кластере могут являться собственно серверы, кластерные диски, файловые сервисы, кластерные приложения и т. д. Эти объекты объединяются в группы, которые называются группами отработки отказа (failover group). В группе содержится информация о том, какой из узлов кластера является первичным для данной группы, и что нужно делать в случае его сбоя. Для приложения назначаются сценарии отработки отказа (failover script), которые обеспечат его перезапуск. Эти сценарии могут содержать любые дополнительные команды, например, команды типа net send, с помощью которых пользователи будут извещены о задержке отклика информационной системы, связанного с устранением отказа.

Для системного менеджера особенно важны кластерные системы, которые использует как сервер баз данных. Вначале на обоих узлах кластера устанавливается соответствующее программное обеспечение, настроенное таким образом, что данные хранятся на диске (или дисках), расположенном в выносной стойке и, соответственно, доступном обоим узлам кластера. Затем назначается первичный сервер. В нормальной ситуации, когда оба сервера работают, все запросы, связанные с базой данных, будет выполнять первичный сервер. В случае его сбоя (отказ питания, процессора, памяти и т. д.), вторичный сервер автоматически примет на себя выполнение его задач и, в частности, обработку запросов к базе данных — произойдет отработка отказа (failover). После возвращения первичного сервера «в строй» автоматически произойдет обратный переход (fallback) -возвращение первичному серверу его задач. Важным здесь являются два аспекта. Во-первых, внешние клиенты всегда обращаются к кластеру, как к единой системе, используя кластерное имя, не совпадающее ни с одним из имен узлов кластера. Во-вторых, в нормальной ситуации вторичный сервер не простаивает, ожидая критического момента, а может выполнять свои прикладные задачи (например, являться первичным для почтового сервера). Таким образом, разделение «первичный-вторичный» происходит на уровне задач или групп отработки отказаfailover group), а не на уровне собственно серверов.

Отмстим еще раз, что кластерные серверы — это чисто программный продукт, не требующий специальных аппаратных устройств и отвечающий имеющимся стандартам.

Знание возможностей кластерных структур позволяет системному менеджеру осуществлять падежное информационное управление.