Пришло время кластеров

По прогнозам аналитиков Standish Group International, грядущие два года принесут общемировой рост количества установленных кластерных систем на 160%.

Столь бурные предполагаемые темпы развития этой пока еще экзотической технологии свидетельствуют о том, что у кластеров наконец-то появился массовый рынок. Во многом эту заслугу можно отнести на счет Интернета, предъявляющего сегодня самые жесткие требования к аппаратной вычислительной платформе.

Сложилось так, что кластеризация, будучи неотъемлемой частью мейнфреймовых систем, очень долго искала свой путь к Intel-платформе. Главные Intel-ориентированные серверные операционные системы изначально не поддерживали совместную работу серверов. А между тем надежности отдельно стоящих машин сегодня недостаточно для поддержания работы таких приложений, как системы онлайновой обработки транзакций, системы электронной коммерции, СУБД, хранилища данных, системы документооборота.

Проблема внедрения высоконадежных систем хранения и онлайновой обработки данных встает перед организацией, когда она достигает такого уровня работы, при котором требуется обеспечивать бесперебойное обслуживание множества клиентов, круглосуточно и без выходных. Наиболее распространенные системы в данном случае уже не обеспечивают ни сохранность данных, ни их своевременную обработку. За относительно низкую стоимость приходится платить не самым высоким уровнем отказоустойчивости — не более 99%. Это означает, что около четырех дней в году информационная структура предприятия будет неработоспособна. На первый взгляд это не так много, ведь в 1% отказов можно включить и плановые простои для проведения профилактических работ или реконфигурации. Но клиенту, например, пользователю системы оплаты по кредитным карточкам, безразлично, по какой причине он останется без обслуживания. Он будет неудовлетворен и найдет другого оператора.

Для дорогих высоконадежных вычислительных систем — кластеров — декларируется надежность 99,999%. Этого уже вполне достаточно, так как в этом случае простои составляют не более 5 минут в год. Данный тип систем характеризуется повышенными — но оправданными — расходами на поддержку и установку и требует специально обученного персонала. Эти системы не могут приобретаться в готовом исполнении и предлагаются как индивидуально настраиваемые решения.

Подсистемы хранения данных, совместно используемые серверами кластера, должны отвечать требованиям высокой надежности, доступности и быстродействия. Сегодня оптимальным решением является применение RAID-массивов. Массивы RAID поддерживают различные коммуникационные технологии и принадлежат к разным ценовым категориям, что делает технологию RAID универсальным решением, легко подстраиваемым под конкретную систему. Оптимальными решениями для соединения серверов и подсистем хранения в кластер являются использование интерфейса SCSI и оптоволоконное соединение. Все большее распространение получает технология Fibre Channel как наиболее производительная и функциональная. Но что действительно объединяет серверы в кластеры — это специальное программное обеспечение.

Многие современные корпоративные приложения и операционные системы имеют встроенную поддержку кластеризации, но для того, чтобы система работала слаженно, а пользователи не испытывали проблем, требуется установить специальное ПО промежуточного уровня, обеспечивающее бесперебойную работу и прозрачность кластера. Это ПО отвечает в первую очередь за слаженную работу всех серверов и обеспечивает формирование и реконфигурацию кластера после сбоев, разрешая возникающие в системе конфликты.

Серверы в кластере уведомляют друг друга о своей работоспособности с помощью сигналов «сердцебиения» (heartbeat). Heartbeat-сигналы передаются по тем же каналам, что и данные, однако в крупных кластерах для этого выделяют специальные линии, так как кластерное ПО должно получать сигнал сердцебиения каждого сервера с определенным временным интервалом. В случае неполучения (например, из-за занятости линии) сервер считается неработающим, и кластер автоматически переконфигурируется. Также автоматически разрешаются конфликты между серверами, когда при запуске кластера возникает проблема выбора «ведущего» сервера или группы серверов, задача которых — сформировать новый кластер.

Кроме того, ПО промежуточного уровня обеспечивает распределение нагрузки по узлам кластера, восстановление работы приложений сбойных серверов на доступных узлах (failover), а также мониторинг состояния аппаратной и программной сред. Существует и еще одно важное достоинство: это ПО позволяет запускать на кластере любое приложение без его предварительной адаптации к новой аппаратной архитектуре, что дает возможность использовать кластеризацию как универсальное решение для всей информационной структуры организации.

Типы кластерных конфигураций

Существует несколько вариантов конфигурирования кластерных систем. Различные варианты отвечают требованиям различных приложений и, естественно, отличаются по стоимости и сложности реализации. Кластеры строятся по схемам «активный-активный», «активный-резервный» и «SMP» (система с симметрично-параллельной обработкой). Широкое применение нашли так называемые псевдокластеры, то есть системы самостоятельных серверов с совместно используемыми подсистемами хранения. Псевдокластеры являются наиболее дешевым вариантом вычислительного комплекса повышенной надежности, однако они не обеспечивают большинства полезных функций кластеров. Схема «активный-резервный» — это наиболее универсальное решение для компании, имеющей интегрированную информационную систему, где лишь часть ресурсов задействована для выполнения критичных по надежности приложений. В такой системе в простейшем случае имеется активный сервер, выполняющий наиболее важные приложения, и резервная машина, которая может находиться в режиме ожидания или же решать менее критичные задачи. При сбое активного сервера все его приложения автоматически переносятся на резервный, где, в свою очередь, заканчивают работу приложения с низшим приоритетом. Такая конфигурация позволяет исключить замедление работы критичных приложений — пользователи попросту ничего не заметят. Остальные схемы этого не позволяют. Конфигурация «активный-активный» подразумевает исполнение всеми серверами кластера отдельных приложений одинаково высокого приоритета. В случае сбоя приложения с неработающей машины распределяются на оставшиеся, что, конечно, сказывается на общей производительности. Кластеры «активный-активный» могут существовать только в качестве выделенных систем и не позволяют запускать низкоприоритетные задачи типа поддержки офисной работы. Системы с симметрично-параллельной обработкой данных (SMP) являются наиболее мощной и полноценной реализацией кластерной технологии. Как следует из их названия, все критичные приложения выполняются сразу всеми серверами системы. Эта конфигурация требует самой высокой степени интеграции ПО, обеспечивая не только высочайшую надежность работы критичного приложения, но и недостижимую в других случаях производительность.

Поддержка кластеризации постепенно начинает появляться во всех основных операционных системах — ведь отсутствие этой технологии уже вышло на первое место среди недостатков серверных ОС. Например, в Windows 2000 включена кластерная служба Microsoft Cluster Server. А служба Novell High Availability Server (NHAS) для серверов NetWare, основанная на NDS (Novell Directory Services), позволяет соединить несколько файл-серверов NetWare в кластер с функциями автоматической реакции на сбои (при помощи переноса нагрузки на активные серверы) и работы с разделяемыми подсистемами хранения. В качестве других примеров известных кластерных продуктов для архитектуры Intel можно привести VERITAS Cluster Server компании VERITAS Software (http://www.veritas.com/us), а также кластерные решения фирмы Compaq Computer (http://www.compaq.com/products/software/clusters.html).

В январе 1997 года Compaq, Intel и Microsoft обнародовали предварительный вариант спецификации стандарта кластерной архитектуры, основной идеей которого стала возможность объединения в кластеры недорогих массовых серверов и рабочих станций. Названный Virtual Interface Architecture 1.0, стандарт не зависит от аппаратной, программной и сетевой архитектуры и реализует принцип предоставления пользовательским процессам виртуальных интерфейсов с сетевой средой в кластерной системе. К проекту присоединились более ста фирм, в числе которых — все основные поставщики аппаратных и программных компонентов корпоративных информационных систем, такие как 3Com, Hewlett-Packard, Oracle идр. В декабре 1997 года был опубликован окончательный вариант стандарта версии 1.0, и сейчас уже имеются коммерческие продукты с поддержкой данной технологии.

Эпоха массовых кластерных систем только начинается, и соответствующие технологии еще предстоит освоить. Ясно одно: ближайшее будущее за кластеризацией, ведь эта технология дает реальный шанс сохранить существующие инвестиции в аппаратное обеспечение, эффективно расширив вычислительные мощности в соответствии с современными требованиями.

Сергей Седых: сотрудник компании Trans-Ameritech. С ним можно связаться по адресу электронной почты Market@TransAmeritech.ru