Что такое высокая доступность?

Linux, VPS | Amber | Комментировать запись

Масштабируемость и высокая доступность становятся всё более популярными с увеличением спроса на надежные и производительные инфраструктуры, предназначенные для обслуживания критически важных систем. Уменьшение времени простоя и устранение единых точек отказа – такие же важные проблемы, как и обработка повышенной нагрузки на систему. Высокая доступность (high availability) – качество инфраструктуры, способное устранить их.

Данная статья рассказывает, что именно значит термин «высокая доступность» и как это качество может сделать инфраструктуру более надёжной.

Высокая доступность

В программировании термин «доступность» (availability) используется для описания интервала времени, в течение которого сервис доступен, а также времени, необходимого системе для ответа на запрос пользователя. Высокая доступность – это качество системы или компонента, которое обеспечивает высокий уровень эксплуатационных характеристик за определенный период времени.

Измерение доступности

Доступность часто выражается в процентах, что обозначает уровень аптайма, который ожидается от конкретной системы или компонента за конкретный период времени. В таком случае 100% доступности значит, что система никогда не выходит из строя; соответственно, система, которая обеспечивает 99% доступности в течение одного года, может иметь до 3,65 дней простоя (1%).

Эти значения вычисляются на основе нескольких факторов, включая плановое и внеплановое техническое обслуживание, а также время, необходимое для устранения возможного сбоя системы.

Как работает высокая доступность?

Высокая доступность используется в качестве механизма быстрого реагирования на сбои. Этот механизм довольно прост, но, как правило, требует специализированного программного обеспечения и конфигурации.

Когда необходима высокая доступность?

Минимизация времени простоя и перебоев в обслуживании очень важна при создании отказоустойчивых систем для производства. Независимо от того, насколько надежно системное и программное обеспечение, в системе могут возникнуть проблемы, которые приведут к сбою в работе приложения или сервера.

Внедрение высокой доступности инфраструктуры – хорошая стратегия для снижения вероятности возникновения и минимизации влияния этих событий. Высоко доступные системы могут автоматически выполнить восстановление сервера или компонента после сбоя.

Что делает систему высоко доступной?

Одной из целей высокой доступности является устранение единых точек отказа в инфраструктуре. Единая точка отказа – это компонент стека, отказ которого выводит из строя всю систему или вызывает недоступность данных; то есть любой компонент, который является необходимым условием для работы приложения, считается единственной точкой отказа.

Чтобы устранить единые точки отказа, нужно подготовить каждый слой стека к избыточности. Для примера давайте представим, что у вас есть инфраструктура, состоящая из двух одинаковых избыточных веб-серверов с балансировщиком нагрузки. Трафик, поступающий от клиентов, будет равномерно распределен между веб-серверами, но если один из серверов выйдет из строя, балансировщик нагрузки будет перенаправлять весь трафик на оставшийся веб-сервер.

В данной ситуации веб-сервер не является единой точкой отказа, потому что:

• В кластере существует «запасной» компонент, способный взять на себя все задачи.
• На другом уровне существует механизм (балансировщик нагрузки), способный обнаруживать сбои в компонентах и адаптировать свое поведение для своевременного восстановления работы приложения.

Но что если из строя выйдет балансировщик нагрузки?

В описанном сценарии (который довольно часто встречается) единой точкой отказа является именно балансировщик нагрузки.

Устранить эту точку отказа не так уж просто. Конечно, можно легко настроить дополнительный балансировщик нагрузки для обеспечения избыточности, однако в системе уровнем выше балансировщиков нагрузки не существует компонента, который мог бы взять на себя обнаружение сбоя и восстановление работы.

Одна только избыточность не может гарантировать высокой доступности.

Для обнаружения и устранения сбоев в инфраструктуре должен существовать специальный компонент.

Обнаружение и устранение сбоев можно реализовать методом top-to-bottom: верхний слой отслеживает сбои нижнего слоя. Вернёмся к нашему примеру; в таком кластере балансировщик нагрузки – это верхний слой. Если один из веб-серверов (нижний слой) станет недоступным, балансировщик нагрузки перестанет перенаправлять на него запросы.

Такой подход достаточно прост, но он имеет свои ограничения: в инфраструктуре всегда будет точка, для которой верхний слой отсутствует либо недоступен (как в случае с балансировщиком нагрузки). Создание сервиса обнаружения неисправностей для балансировщика нагрузки на внешнем сервере равно созданию новой единой точки отказа.

При таком сценарии необходим распределенный подход. Нужно соединить в кластер несколько дублирующих нод, где каждая нода будет в равной степени способна к обнаружению и устранению сбоя.

Однако в случае с балансировкой нагрузки есть дополнительная сложность, связанная с работой серверов имен. Восстановление после сбоя балансировки нагрузки, как правило, означает переход балансировки на другой (избыточный) ресурс, а для этого нужно изменить DNS (указать доменное имя или IP-адрес резервного балансировщика нагрузки). Такие изменения могут занять значительное количество времени и повлечь за собой большой период простоя.

В такой ситуации можно использовать балансировку по алгоритму round-robin. Однако этот подход не является надежным, поскольку аварийное переключение будет на клиентской стороне приложения.

Более надёжным и отказоустойчивым решением являются системы, поддерживающие гибкие ip-адреса. При необходимости IP-адрес модифицируется, что препятствует распространению неисправности и её кэшированию. При этом доменное имя может оставаться связанным с тем же IP-адресом, а сам IP-адрес перемещается между серверами.

Какие компоненты необходимы для поддержки высокой доступности?

Для настройки высокой доступности необходимо установить несколько системных компонентов. Однако гораздо сильнее высокая доступность зависит от таких факторов:

• Окружение: если все серверы кластера расположены в одной географической области, внешние условия (землетрясения, наводнения и т.п.) могут привести к полному сбою системы. Наличие серверов в разных датацентрах и географических областях повысит отказоустойчивость.
• Аппаратное обеспечение: высоко доступные серверы должны быть устойчивы к перебоям в подаче электроэнергии и сбоям оборудования, включая жесткие диски и сетевые интерфейсы.
• Программное обеспечение: весь программный стек (в том числе операционная система и само приложение) должен быть готов к обработке случайных сбоев, которые могут потребовать перезапуска системы.
• Данные: потеря и несоответствие данных может быть обусловлено несколькими факторами. Высоко доступные системы должны принимать во внимание необходимость защиты данных на случай сбоя.
• Сеть: незапланированные отключения сети представляют собой еще одну возможную точку отказа для высоконадежных систем. Важно иметь на такой случай запасную стратегию сети.

Какое программное обеспечение необходимо для высокой доступности?

Каждый слой системы с высокой доступностью будет иметь разные потребности. На уровне приложения балансировка нагрузки является неотъемлемым компонентом в системе с высокой доступностью.

HAProxy (High Availability Proxy) – популярное средство для настройки балансировки нагрузки, так как позволяет обрабатывать нагрузку на нескольких уровнях, а также для различных видов серверов, включая серверы баз данных.

Также в системный стек важно внедрить надёжное средство для точки входа в приложение. Чтобы устранить единую точку отказа, как упоминалось ранее, необходимо реализовать кластер балансировки нагрузки с гибкими IP-адресами. Для создания таких систем используются Corosync и Pacemaker.

Заключение

Высокая доступность – очень важный аспект надёжности инфраструктуры, ориентированный на обеспечение высокого уровня эксплуатационных характеристик в течение определенного периода времени. На первый взгляд реализация высокой доступности может показаться довольно сложной, однако она может принести много пользы системе, требующей повышенной надежности.