Cluster - Hochverfügbarkeit für Server und Storage

Ein Cluster soll die Verfügbarkeit und/oder Skalierbarkeit einer Anwendung erhöhen. Daraus lassen sich zwei Arten von Clustern ableiten, die zwar ähnlich aufgebaut sind, jedoch auch wichtige Unterschiede besitzen. Dies ist einmal der reine Hochverfügbarkeits-Cluster (HA), der nur die Verfügbarkeit einer Anwendung erhöhen soll. Die zweite Art erhöht auch die Verfügbarkeit, aber zusätzlich wird die Skalierbarkeit verbessert. Dies hört sich nach starken Vorteilen des zweiten Clustertyps an, jedoch ist er nicht für jede Anwendung geeignet.

HA-Cluster (High Availibility)

Dieser Cluster erhöht die Verfügbarkeit der Anwendung durch eine konsequente Vermeidung eines Single-Point-of-Failure im Gesamtsystem. Dies wird auf der Hardware-Seite durch eine Verdoppelung der Komponenten erreicht. Sollte ein Server oder ein Storage-System ausfallen, dann übernimmt der Partner die Arbeit. Konsequenter Weise sollten auch alle Komponenten innerhalb von Server und Storage-System redundant ausgelegt werden. So wird durch diese einfachen und kostengünstigen Maßnahmen die Grundverfügbarkeit jedes Einzelsystems deutlich erhöht.

Eine Anwendung kann in diesem Fall nur auf einem der beiden Rechner laufen. Fällt dieser Rechner aus, so übernimmt der andere sämtliche Funktionen, das heißt die IP-Adresse, die Daten und die Anwendung. Ist nur eine Anwendung vorhanden, so läuft der jeweils andere Rechner ohne eigentliche Funktion (= Anwendung für die User) vor sich hin. In diesem Falle kann der Cluster unsymmetrisch aufgebaut werden, der normale Produktionsrechner als großer und leistungsfähiger Server, die Ersatzmaschine als Minimalsystem. Eine mögliche Aufgabe für das "Ersatzsystem" ist die Testumgebung. Diese kann im Fehlerfalle deaktiviert werden und das Produktionssystem darf die volle Rechnerkapazität nutzen.

Die Auslegung des Storage-Systems bzw. der Storage-Systeme ist für diesen Cluster recht einfach. Es muss nur möglich sein, dass zwei Rechner gleichzeitig auf den Storage zugreifen können, es muss also mindestens zwei Host-Eingänge besitzen. Dies ist schon mit "einfachen" SAS-RAID-Systemen möglich.

Für das Betriebssystem des Servers muss ein Software-RAID-1 verfügbar sein, welches durch den Cluster unterstützt wird. Oder die beiden Storage-Systeme replizieren ihre Daten untereinander, so dass beide Storages immer exakt die gleichen Daten haben.
Ist dies nicht möglich, so kann nur mit einem Storage-System gearbeitet werden. In diesem Fall muss eine Storage-Hardware den Verfügbarkeitsanforderungen genügen. Eine Ergänzung kann dann auch die zusätzliche Replikation der Daten sein.

Cluster zur Steigerung der Skalierbarkeit

Sollte eine Anwendung auf einem einzelnen Server nicht mehr die geforderten Antwortzeiten erreichen, so kann erst einmal der Server aufgerüstet werden. Dies kommt schnell an Grenzen. Effektiver ist es da schon, wenn die gleiche Anwendung mit den gleichen Daten auch noch auf einem zweiten Rechner zur gleichen Zeit laufen könnte.

Und dies ermöglicht der Lastausgleichs-Cluster. Die Anwendung wird auf dem zweiten Server gestartet und greift auch auf die gleichen Daten zu. Aber dort liegt auch das Problem. Die Anwendung muss den Zugriff von mehreren Rechnern auf seine Datenbasis erlauben. Dies funktioniert sehr gut bei Webservern, bei Datenbanken kommen Probleme auf (da gibt es aber Lösungen, z.B. Oracle RAC), die meistens auf anderen Wegen gelöst werden müssen. Soll zusätzlich die Verfügbarkeit gesteigert werden, so muss auf die Auslegung des Lasterverteilers und des NAS Storage besonderen Wert gelegt werden. Hier sollten dann HA-Cluster eingesetzt werden.

Wird der NAS Storage durch ein Fibre Channel Storage ersetzt, so müssen spezielle Filesysteme eingesetzt werden (SAN Filesysteme oder Cluster Filesysteme), die einen schreibenden Zugriff von verschiedenen Rechnern auf ein Filesystem ermöglichen. Mit dieser Konfiguration können auch Datenbanken auf diesem Cluster betrieben werden. Die Hauptanwendung ist aber meist die Webanwendung oder Videostreaming. Immer wenn hohe Datenraten benötigt werden, wird auf ein SAN- bzw. Fibre Channel-Storage zurückgegriffen.

Anwendung: Server Virtualisierung

Gerade die Server Virtualisierung benötigt eine hohe Verfügbarkeit, ansonsten fallen ja alle virtuellen Maschinen aus, die auf dieser Hardware laufen. Dort wird fast in jeder Umgebung ein Cluster eingerichtet, egal ob mit VMware vSphere, Hyper-V oder KVM/Proxmox. Der Cluster ist bei diesen Lösungen der Standard und nicht etwas Besonderes.

Auch die Einrichtung ist extrem einfach. Als Beispiel bei VMware muss man nur mindestens 2 ESXi Server dem vCenter Server hinzufügen und dann für den definierten Cluster die Konfiguration starten. Dort werden einige Parameter zur Überwachung und zum Neustart von virtuellen Maschinen hinterlegt und die eigentliche Konfiguration übernimmt der vCenter dann auf den ESXi. Die eigentliche Funktion im Cluster von VMware ist HA. Diese Funktion überwacht ganz nach dem Motto eines Clusters die physikalischen Maschinen (ESXi) und die virtuellen Maschinen (zum Beispiel über den internen Heartbeat, Management-LAN). Bei einer Störung werden die virtuellen Maschinen neu gestartet oder auf eine andere physikalische Maschine umgezogen.

Sollte also zum Beispiel ein ESXi im Verbund mit einem oder zwei anderen ausfallen, so werden nach einer kurzen Zeit (die anderen ESXi müssen den Ausfall ja erst einmal feststellen), die virtuellen Maschinen neu auf den beiden anderen ESXi gestartet. Also einen kurzen Ausfall muss man in diesem Fall hinnehmen, aber ein manueller Eingriff ist nicht notwendig.

Hinweis: Sollte schon ein kurzer Ausfall zu lang sein, dann bietet VMware die Funktion "Fault Tolerance" an. Dort laufen die virtuellen Maschinen auf zwei getrennten ESXi, so dass beim Ausfall die andere VM (ist ja die gleiche) sofort antworten kann.

Benötigt wird im Fall eines Clusters für die Server-Virtualisierung das Shared Storages. Dieses ist in jedem Fall notwendig, damit jeder Server auf die gemeinsamen Daten zugreifen kann. Neben einem Shared Storage ist auch das VSAN von VMware oder die OpenSource Lösung Ceph möglich. Diese Produkte erstellen ein verteiltes Storage.

Anwendung Cluster: NAS

Eine typische Anwendung für einen HA-Cluster ist ein NAS-Server. Liegen die wichtigen Firmendaten auf dem NAS-System und sind längere Ausfallzeiten nicht akzeptabel, so muss das NAS-System hochverfügbar ausgelegt werden. Es entsteht ein typischer HA-Cluster, es sind mehrere NAS-Köpfe (Server) vorhanden, die auf gespiegelte Daten zugreifen. Ein weiterer Ausbau der Verfügbarkeit liegt in der räumlichen Trennung der Systeme in unterschiedliche Brandabschnitte oder Gebäude. Solche Verfahren bieten sogar Schutz gegen Brand und Wasserschaden. Abstände von 500 Metern lassen sich ohne Probleme und sehr kostengünstig mit Fibre-Channel-Systemen erreichen. Auch bei Performanceproblemen gibt es eine Lösung im NAS-Bereich. Mehrere NAS-Server greifen auf die gleiche Datenbasis zu. Hierfür wird jedoch eine spezielle Software benötigt, die den konkurrierenden Schreibzugriff ermöglicht. In diesem Bereich bieten wir individuelle Lösungen an, setzen Sie sich mit uns in Verbindung.

Anwendung Cluster: iSCSI Storage

Für viele Anwendungen wird ein hochverfügbarer Storage benötigt. Meist müssen die beiden Knoten auch in unterschiedlichen Brandabschnitten oder Gebäuden untergebracht werden. Die Server werden dann mit beiden Storage-Systemen (= den beiden Knoten) verbunden und können sowohl auf die Daten über den Knoten 1, wie auch über den Knoten 2 zugreifen. Sollte dann ein Knoten ausfallen, dann können alle Server weiterhin auf die Daten zugreifen.

Diese Storage-Cluster gibt es in zwei Varianten. Die gebräuchlichste ist der Active-Passive-Cluster, dies bedeutet einer der beiden Knoten ist aktiv und als einziger stellt er Speicherplatz für die Server zur Verfügung. Der aktive Knoten repliziert dann alle Änderungen auf den passiven Knoten. Sollte der aktive Knoten ausfallen, so über nimmt der passive Knoten alle Aufgaben. Ist der defekte Knoten wieder aktiv, so repliziert der laufende Knoten alle Änderungen wieder zurück und der ehemals defekte Knoten kann wieder der aktive Knoten werden. Die zweite Variante der Active-Active Cluster ist wesentlich aufwendiger. Beide Knoten sind aktiv und beide Knoten stellen Speicherplatz zur Verfügung. Eine Anfrage der Server kann an beide Knoten gehen, das bedeutet die Storage Cluster Knoten müssen sich bei jedem I/O abstimmen. Aber beide Knoten können I/Os beantworten, die Performance ist größer als bei Active-Passive-Cluster.

Im obigen Beispiel sind als Backend zwei Storage Systeme vorhanden, die ihre Daten replizieren und im Fehlerfalle einen Failover bieten. Damit können die beiden Server im Beispiel auch bei Ausfall eines Storage-Systems weiter auf die Daten zugreifen. Die beiden Server sind auch wieder ein Cluster, in diesem Beispiel ein VMware vSphere Cluster. Der Storage-Cluster erhöht nur die Verfügbarkeit, die Performance kann so nicht erhöht werden (Active-Passiv), da immer nur ein System aktiv ist. Der Server-Cluster, also die VMware-Umgebung ist sowohl ein HA-Cluster, wie auch ein Cluster zur Steigerung der Performance, da beide Server zu gleichen Zeit aktiv sein können.
VMware hat für diesen Fall ein Cluster-Filesystem auf den ESXi-Servern laufen, das sogenannte VMFS Filesystem. Dank diesem Filesystem können mehrere Server zur gleichen Zeit schreibend auf eine Datenbasis zugreifen. Dies ermöglicht dann auch die Features wie vMotion und VMware HA.