Storage. Backup. Virtualisierung.
Cluster - Einführung · Version 1.9 · © Stor IT Back 2025
Ein IT-Cluster ist ein Verbund aus mehreren Servern oder Storage-Systemen, die gemeinsam Anwendungen, Dienste oder Daten bereitstellen. Cluster werden eingesetzt, um die Hochverfügbarkeit (High Availability, HA), die Skalierbarkeit oder beide Eigenschaften gleichzeitig zu verbessern. Fällt ein Cluster-Knoten aus, können andere Knoten dessen Aufgaben übernehmen. Bei einem Scale-out- oder Load-Balancing-Cluster verteilen sich Anwendungen oder Anfragen dagegen auf mehrere gleichzeitig aktive Systeme.
Je nach Architektur kommen dabei Technologien wie Failover, Load Balancing, Quorum, Fencing, Shared Storage, synchrone Replikation oder verteilte Storage-Systeme zum Einsatz.
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.
Bei einem klassischen Active-Passive-HA-Cluster läuft eine Anwendung zunächst auf einem aktiven Knoten. Fällt dieser aus, übernimmt ein zweiter Knoten die Anwendung. HA-Cluster können jedoch auch als Active-Active-Systeme ausgelegt sein, bei denen mehrere Knoten gleichzeitig produktiv arbeiten. Ist bei einem Active-Passive-HA-Cluste 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 verbleibenden Cluster-Knoten müssen trotzdem über ausreichend CPU-, RAM-, Netzwerk- und Storage-Ressourcen verfügen, um die vorgesehenen Workloads nach einem Ausfall übernehmen zu können. Bei der Kapazitätsplanung werden deshalb häufig N+1- oder vergleichbare Redundanzkonzepte eingesetzt. 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. Wird Shared Storage eingesetzt, müssen alle vorgesehenen Cluster-Knoten zuverlässig auf die benötigten Daten zugreifen können. In produktiven HA-Umgebungen werden deshalb üblicherweise redundante Storage-Controller, Netzwerk- oder Fibre-Channel-Switches sowie mehrere Datenpfade mit Multipathing eingesetzt. Dadurch darf weder ein Host-Port noch ein Switch, Kabel oder Storage-Controller zum Single Point of Failure werden. Dies ist schon mit "einfachen" SAS-RAID-Systemen möglich.
Auch die lokalen Boot-Datenträger der Cluster-Knoten sollten entsprechend den Verfügbarkeitsanforderungen redundant ausgelegt werden. Die konkrete Ausführung, beispielsweise RAID-1, gespiegelte SSDs oder redundante Boot-Medien, ist jedoch unabhängig vom eigentlichen Cluster-Verfahren.
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. Bei zustandslosen Anwendungen wie Webservern lässt sich die Last vergleichsweise einfach auf mehrere Knoten verteilen. Datenbanken stellen höhere Anforderungen, da Schreibzugriffe, Transaktionen und Datenkonsistenz zwischen den Knoten koordiniert werden müssen. Hierfür existieren anwendungsspezifische Cluster- und Replikationsverfahren, beispielsweise Oracle RAC oder andere verteilte bzw. replizierte Datenbankarchitekturen. Soll zusätzlich die Verfügbarkeit gesteigert werden, so muss auf die Auslegung des Lasterverteilers und des 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. Für hohe Datenraten kommen heute sowohl Fibre-Channel-SANs als auch leistungsfähige Ethernet-basierte Storage-Netze zum Einsatz. Neben klassischem iSCSI stehen beispielsweise NVMe over TCP, NVMe over Fibre Channel sowie RDMA-basierte Verfahren zur Verfügung. Welche Technologie sinnvoll ist, hängt von Latenz, Durchsatz, Verfügbarkeit, vorhandener Infrastruktur und den Anforderungen der Anwendung ab.
Gerade die Server Virtualisierung benötigt eine hohe Verfügbarkeit, ansonsten fallen ja alle virtuellen Maschinen aus, die auf dieser Hardware laufen. In produktiven Virtualisierungsumgebungen mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen werden die Hypervisor-Hosts häufig zu einem Cluster zusammengefasst. Entsprechende Funktionen bieten beispielsweise VMware vSphere, Microsoft Hyper-V beziehungsweise Windows Server Failover Clustering sowie Proxmox VE. Der Cluster ist bei diesen Lösungen der Standard und nicht etwas Besonderes.
Die Einrichtung eines Clusters in der Virtualisierung ist etwas komplexer als ein einzelner Node. 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/ESX Nodes.
Bei VMware übernimmt vSphere HA die Überwachung der ESXi-Hosts. Fällt ein Host aus, können die betroffenen virtuellen Maschinen auf anderen verfügbaren Hosts neu gestartet werden. Dabei handelt es sich nicht um eine Live-Migration, da der ausgefallene Host nicht mehr verfügbar ist.
Davon zu unterscheiden ist vMotion. Mit vMotion kann eine laufende virtuelle Maschine zwischen funktionsfähigen ESXi-Hosts verschoben werden. Für die automatische Lastverteilung kann zusätzlich VMware DRS eingesetzt werden.
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 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: Für besonders kritische Workloads bietet VMware zusätzlich vSphere Fault Tolerance (FT).
Dabei wird neben der primären VM eine synchron gehaltene sekundäre Instanz auf einem anderen ESXi-Host betrieben.
Fällt der primäre Host aus, kann die sekundäre Instanz die Verarbeitung mit sehr geringer Unterbrechung übernehmen.
Für HA muss gewährleistet sein, dass die virtuellen Maschinen und ihre Daten auch nach dem Ausfall eines Hosts auf einem anderen Cluster-Knoten verfügbar sind. Dies kann über klassisches Shared Storage wie SAN oder NAS erfolgen. Alternativ können verteilte Storage-Systeme eingesetzt werden, beispielsweise VMware vSAN, Ceph oder Microsoft Storage Spaces Direct. Auch Replikationslösungen zwischen lokalen Datenspeichern sind je nach Plattform möglich.
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. Werden die Systeme auf unterschiedliche Brandabschnitte, Räume oder Standorte verteilt, müssen zusätzlich Latenz, Netzwerkredundanz, Replikationsverfahren und die maximal unterstützte Entfernung der eingesetzten Cluster- und Storage-Technologie berücksichtigt werden.
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.
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.
Bei einem Active-Active-Storage sind beide Controller oder Storage-Knoten gleichzeitig aktiv.
Je nach Architektur können Volumes einem bevorzugten Controller zugeordnet sein oder über mehrere Knoten
verarbeitet werden. Ob dadurch die Performance eines einzelnen Volumes steigt,
hängt vom konkreten Storage-System, der internen Architektur und dem verwendeten Multipathing-Verfahren ab.
Der wesentliche Vorteil liegt häufig darin, dass die Ressourcen beider Controller gleichzeitig
für unterschiedliche Workloads genutzt werden können.
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.
Die Server sollten über mehrere unabhängige Datenpfade mit dem Storage verbunden sein. Mit Multipathing beziehungsweise MPIO können Betriebssystem oder Hypervisor mehrere iSCSI- oder Fibre-Channel-Pfade gleichzeitig verwalten. Fällt ein Netzwerkpfad, Switch, Host-Adapter oder Storage-Port aus, steht weiterhin mindestens ein alternativer Pfad zur Verfügung.
.Ein IT-Cluster ist ein Verbund aus mehreren Servern oder Systemen, die gemeinsam Anwendungen, Dienste oder Daten bereitstellen. Cluster werden eingesetzt, um die Hochverfügbarkeit, Skalierbarkeit oder Performance einer IT-Umgebung zu verbessern. Fällt ein Cluster-Knoten aus, können andere Knoten dessen Aufgaben übernehmen. Je nach Architektur arbeiten die Knoten als Active-Passive-, Active-Active- oder Load-Balancing-Cluster.
Clustering bezeichnet grundsätzlich den Zusammenschluss mehrerer Systeme zu einer gemeinsamen Einheit. Hochverfügbarkeit (High Availability, HA) ist dagegen ein mögliches Ziel eines Clusters. Bei einem HA-Cluster werden Dienste oder virtuelle Maschinen bei einem Ausfall automatisch auf einem anderen Knoten weiterbetrieben oder dort neu gestartet. Cluster können aber auch ausschließlich zur Skalierung oder Lastverteilung eingesetzt werden.
Ein Cluster-Knoten ist ein einzelner Server oder ein anderes System innerhalb eines Clusters. Jeder Knoten stellt Ressourcen wie CPU, Arbeitsspeicher, Netzwerk oder Storage bereit. Je nach Cluster-Technologie können Anwendungen, Dienste oder virtuelle Maschinen zwischen den Knoten verteilt werden. Fällt ein Knoten aus, können andere Knoten dessen Aufgaben übernehmen, sofern ausreichend Ressourcen vorhanden sind.
Beim Failover erkennt der Cluster den Ausfall eines Knotens, einer Anwendung oder einer anderen überwachten Ressource. Anschließend übernimmt ein funktionsfähiger Cluster-Knoten die betroffenen Dienste oder startet beispielsweise virtuelle Maschinen neu. Heartbeat-, Quorum- und Fencing-Mechanismen helfen dabei, den tatsächlichen Ausfall eindeutig zu erkennen und einen parallelen Zugriff durch fehlerhafte Knoten zu verhindern.
Shared Storage ermöglicht mehreren Cluster-Knoten den Zugriff auf gemeinsam bereitgestellte Daten. Dafür können beispielsweise SAN- oder NAS-Systeme eingesetzt werden. Shared Storage ist jedoch nicht für jeden Cluster zwingend erforderlich. Alternativ können verteilte Storage-Systeme wie Ceph, VMware vSAN oder Microsoft Storage Spaces Direct sowie Replikationsverfahren zwischen lokalen Datenspeichern verwendet werden.
Ein Cluster kann je nach Technologie bereits aus zwei Knoten bestehen. Bei quorum-basierten Systemen sind drei Knoten häufig vorteilhaft, da dadurch eine eindeutige Mehrheitsentscheidung möglich ist. Zwei-Knoten-Cluster benötigen je nach Plattform zusätzliche Mechanismen wie einen Witness oder ein Quorum Device. Die optimale Anzahl hängt von der Cluster-Technologie, den Anforderungen an die Hochverfügbarkeit und der benötigten Reservekapazität ab.
Das Quorum entscheidet, welcher Teil eines Clusters weiterhin gültige Entscheidungen treffen und Ressourcen verwalten darf. Häufig wird dafür eine Mehrheit der verfügbaren Stimmen benötigt. Das Quorum verhindert insbesondere, dass nach einer Netzwerkunterbrechung zwei getrennte Clusterteile unabhängig voneinander dieselben Ressourcen aktivieren. Dadurch wird das Risiko eines Split-Brain und damit möglicher Datenkorruption reduziert.
Bei einem Active-Passive-Cluster stellt normalerweise ein Knoten den Dienst bereit, während mindestens ein weiterer Knoten als Failover-System bereitsteht. Bei einem Active-Active-Cluster arbeiten mehrere Knoten gleichzeitig produktiv. Dadurch können vorhandene Ressourcen besser genutzt und Lasten verteilt werden. Active-Active führt jedoch nicht automatisch bei jeder Anwendung oder jedem Storage-System zu einer höheren Performance, da die Architektur parallele Zugriffe unterstützen muss.
Fencing verhindert, dass ein fehlerhafter oder vom Cluster isolierter Knoten weiterhin auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreift. Dazu kann der betreffende Server beispielsweise über eine Managementschnittstelle ausgeschaltet oder vom Storage getrennt werden. Fencing ist besonders wichtig, um Split-Brain-Situationen und konkurrierende Schreibzugriffe auf dieselben Daten zu verhindern.
Typische Probleme in Clustern sind Netzwerkunterbrechungen, hohe Latenzen, Storage-Störungen, fehlerhafte Heartbeat-Verbindungen oder ein Verlust des Quorums. Besonders kritisch ist ein Split-Brain, bei dem getrennte Clusterteile gleichzeitig glauben, für dieselben Ressourcen zuständig zu sein. Redundante Netzwerke, korrekt konfiguriertes Quorum, Fencing, Multipathing und eine sorgfältige Überwachung helfen, solche Situationen zu verhindern.
In produktiven Clustern werden unterschiedliche Verkehrsarten häufig logisch oder physisch voneinander getrennt. Das Management- oder Heartbeat-Netz dient der Kommunikation und Überwachung der Cluster-Knoten, während über das Storage-Netz beispielsweise iSCSI-, NFS-, Ceph- oder andere Storage-Zugriffe erfolgen. Zusätzlich kann ein separates Netzwerk für virtuelle Maschinen oder Client-Zugriffe vorhanden sein. Redundante Netzwerkpfade verhindern, dass der Ausfall einer einzelnen Verbindung den gesamten Cluster beeinträchtigt.
