Кластеры от компании Microsoft.
Несмотря на неоднозначное отношение к Microsoft необходимо отметить, что компания сделала высокие технологии доступными для простых пользователей. Так или иначе, но современное положение сферы информационных технологий не в последнюю очередь определено именно компанией Microsoft.
Далеко не всегда решения и продукты от компании Microsoft сразу занимали позиции на уровне специализированных решений, однако наиболее важные все равно постепенно выбивались в лидеры в соотношении цена/функциональность, а также по простоте внедрения. Одним из таких примеров являются кластеры.
Разработка вычислительных кластеров не является сильной стороной Microsoft. Об этом свидетельствует, в том числе, тот факт, что разработки компании не попали в список Top-500 суперкомпьютеров. Поэтому совершенно логично, что в линейке Windows Server 2012 отсутствует редакция HPC (High-performance computing –высокопроизводительные вычисления).
Кроме того, учитывая особенности высокопроизводительных вычислений, платформа Windows Azure кажется более перспективной. Поэтому компания Microsoft сосредоточила свое внимание на кластерах высокой доступности.
Кластеры в Windows.
Впервые поддержка кластеров была реализована компанией Microsoft еще в операционной системе в Windows NT 4 Server Enterprise Edition в виде технологии Microsoft Cluster Service (MSCS). В операционной системе Windows Server 2008 она превратилась в компонент Failover Clustering. По сути это кластеры с обработкой отказа или высокодоступные кластеры, хотя иногда их не вполне корректно называют отказоустойчивыми.
В общем случае при выходе из строя узла, к которому идет запрос, как раз и будет проявляться отказ в обслуживании, однако при этом произойдет автоматический перезапуск кластеризуемых сервисов на другом узле, и система будет приведена в состояние готовности в кратчайший срок.
Кластер высокой доступности на Windows включает в себя как минимум два узла с установленными операционными системами и соответствующими ролями. Узлы должны быть подключены к внешней сети и внутренней сети, необходимой для обмена служебными сообщениями, к общему хранилищу служебных ресурсов (например, диск-свидетель для кворума). Кроме того, в систему входят и данные кластеризуемых приложений. В ситуации, когда сервисы исполняются только на одном из узлов, реализуется схема Active-Passive, то есть сервисы выполняются на одном узле, а второй работает в дежурном режиме. Когда оба узла несут полезную нагрузку, реализуется схема Active-Active.
С момента первой реализации, поддержка кластеров в Windows существенно изменилась. Была реализована поддержка файловых и сетевых служб, позже SQL Server (в операционной системе Windows Server 2000), Exchange Server ( в Windows Server 2003), и другие стандартные службы и роли, включая Hyper-V (в операционной системе Windows Server 2008). Была улучшена масштабируемость (до 64 узлов в Windows Server 2012), список кластеризуемых сервисов был расширен.
Поддержка виртуализации, а также позиционирование Windows Server как облачной операционной системы, стали поводом для дальнейшего развития поддержки кластеров, поскольку высокая плотность вычислений предъявляет высокие требования к надежности и доступности инфраструктуры. Поэтому, начиная с операционной системы Windows Server 2008, именно в этой области сосредоточена основная масса усовершенствований.
В операционной системе Windows Server 2008 R2 реализованы общие тома кластера Hyper-V (CSV), позволяющие узлам одновременно обращаться к одной файловой системе NTFS. В результате несколько кластерных виртуальных машин могут использовать один адрес LUN и мигрировать с узла на узел независимо.
В Windows Server 2012 кластерная поддержка Hyper-V была усовершенствована. Была добавлена возможность управления на уровне целого кластера приоритетами виртуальных машин, определяющих порядок перераспределения памяти, восстановления вирутальных машин в случае выхода из строя узлов или запланированной массовой миграции. Были расширены возможности мониторинга – в случае сбоя контролируемой службы появилась возможность перезапуска не только самой службы, но и всей виртуальной машины. Есть возможность осуществления миграции на другой, менее загруженный узел. Реализованы и другие, не менее интересные нововведения, касающиеся кластеризации.
Кластеры в Windows Server 2012.
Сначала остановимся на нововведениях в базовых технологиях, которые используются кластерами или помогаю расширить их возможности.
SMB 3.0
Новая версия протокола SMB 3.0 используется для сетевого обмена данными. Этот протокол востребован при выполнении чтения, записи и других файловых операций на удаленных ресурсах. В новой версии реализовано большое количество усовершенствований, которые позволяют оптимизировать работу SQL Server, Hyper-V и файловых кластеров. Обратим внимание на следующие обновления:
- прозрачная отказоустойчивость. Это новшество обеспечивает непрерывность выполнения операций. При сбое одного из узлов файлового кластера текущие операции автоматически передаются другому узлу. Благодаря этому нововведению стала возможной реализация схемы Active-Active с поддержкой до 8 узлов.
- масштабирование. Благодаря новой реализации общих томов кластера (версия 2.0) существует возможность одновременного доступа к файлам через все узлы кластера, за счет чего достигается агрегация пропускной способности и осуществляется балансировка нагрузки.
- SMB Direct. Реализована поддержка сетевых адаптеров с технологией RDMA. Технология RDMA (удаленный прямой доступ к памяти) позволяет передавать данные непосредственно в память приложения, существенно освобождая центральный процессор.
- SMB Multichannel. Позволяет агрегировать пропускную способность и повышает отказоустойчивость при наличии нескольких сетевых путей между сервером с поддержкой SMB 3.0 и клиентом.
Необходимо сказать, что для использования этих возможностей поддержка SMB 3.0 должна присутствовать на обоих концах соединения. Компания Microsoft рекомендует использование серверов и клиентов одного поколения (в случае с Windows Server 2012 такой клиентской платформой является Windows 8). К сожалению, на сегодня Windows 7 поддерживает только SMB версии 2.1.
Storage Spaces.
Технология Storage Spaces реализована впервые в операционных системах Windows Server 2012 и Windows 8. Реализована поддержка новой файловой системы ReFS, которая обеспечивает функции повышения отказоустойчивости. Есть возможность назначения дисков в пуле для горячей замены (в случае отказа других носителей или для быстрой замены исчерпавшего свой ресурс SSD). Кроме того, расширены возможности тонкой настройки с использованием PowerShell.
По сути, технология Storage Spaces является программной реализацией RAID, расширенной за счет большого числа дополнительных функций. Во-первых, накопители с прямым доступом должны быть объединены в пулы. В принципе накопители могут быть любых типов и мощностей, однако для организации стабильной работы необходимо четкое понимание принципов функционирования технологии.
Далее на пулах можно создавать виртуальные диски следующих типов (не путать с VHD/VHDX):
- простой (является аналогом RAID 0);
- зеркало (двухстороннее зеркало является аналогом RAID1, трехстороннее зеркало представляет собой более сложную схему наподобие RAID 1E)
- с контролем четности (является аналогом RAID 5. Данный вариант обеспечивает минимальный перерасход пространства при минимальной отказоустойчивости).
Технология Storage Spaces не является абсолютным новшеством. Похожие возможности были давно реализованы в Windows Server, например в форме динамических дисков. Технология Storage Spaces позволяет сделать использование всех этих возможностей более удобными и обеспечить новый уровень использования. Среди прочих преимуществ Storage Spaces необходимо отметить тонкую инициализацию (thin provisioning), которая дает возможность назначать виртуальным дискам размеры сверх доступных в реальности из расчета на добавление в соответствующий пул новых накопителей впоследствии.
Один из наиболее непростых вопросов, связанных с технологией Storage Spaces – это производительность. Как правило, программные реализации RAID уступают по производительности аппаратным вариантам. Однако, если речь идет о файловом сервере, то Storage Spaces получает в свое распоряжение большой объем оперативной памяти и мощный процессор, поэтому необходимо тестирование с учетом различных видов нагрузки. С этой точки зрения особую ценность приобретают возможности тонкой настройки с использованием PowerShell.
Технология Storage Spaces предлагает отказ от RAID-контроллеров и дорогих систем хранения, перенеся из логику на уровень операционной системы. Эта идея раскрывает все свои достоинства и оказывается достаточно привлекательной вместе с еще одним новшеством.
Scale-Out File Server (SOFS).
Еще одним новшеством является режим кластеризуемой роли File Server в Windows Server 2012, который получил название Scale-Out File Server. Теперь реализована поддержка двух типов кластеризации, названия которых полностью звучат как File Sever for General Use и Scale-Out File Server (SOFS) for application data. Каждая из технологий имеет свои сферы применения, а также свои достоинства и недостатки.
Всецелевой файловый сервер представляет собой хорошо известный тип кластера Active-Passive. В свою очередь SOFS представляет собой кластер Active-Active, являясь действительно отказоустойчивой конфигурацией. Для совместного доступа к соответствующим папкам используется опция Continuously Available.
Помимо отличных характеристик отказоустойчивости это обеспечивает повышение пропускной способности при условии рационального проектирования сетевой архитектуры. Проксирующая файловая система CSV 2.0 (CSVFS) позволяет уменьшить влияние CHKDSK, позволяя утилите выполнять необходимые операции, сохраняя при этом возможность работы с томом активных приложений. Реализовано кэширование чтения с CSV. Использование CSV обеспечивает простоту и удобство развертывания и управления. Пользователю нужно создать обычный кластер, настроить том CSV и активировать роль файлового сервера в режиме Scale-Out File Server for application data.
Благодаря простоте и функциональности предложенного решения сформировался новый класс оборудования «кластер-в-коробке» (Сluster-in-a-Box, CiB). Как правило, это шасси с двумя блейд-серверами и дисковым массивом SAS JBOD с поддержкой Storage Spaces. Здесь важно, чтобы SAS JBOD были двухпортовыми, и имелся SAS HBA для реализации перекрестного подключения.
Такая организация системы ориентирована именно на поддержку SOFS. Учитывая, что iSCSI target стандартно интегрирован в Windows Server 2012 и также может быть кластеризована, таким образом может реализовать «самодельную» систему хранения данных на базе всецелевой операционной системы.
Однако следует иметь ввиду, что владельцем CSV по-прежнему является один из узлов, который отвечает за все операции с метаданными. При большом количестве метаданных может наблюдаться снижение производительности, поэтому для SOFS не рекомендуется использовать сценарий Information Worker, тогда как Hyper-V и SQL Server идеально подходят для этого, в том числе благодаря функциям агрегации пропускной способности.
Другие новшества технологий кластеризации Windows.
Выше мы перечислили только самые важные и крупные новшества в области кластеризации в Windows Server 2012. Другие менее крупные нововведения, однако, тоже появились не случайно.
Была расширена поддержка виртуализации за счет существенного упрощения создания гостевых кластеров (из виртуальных машин). В отличие от Windows Server 2008 R2, где для этого нужно было предоставить iSCSI Target в общее пользование виртуальных машин, в операционной системе Windows Server 2012 появилась функция, позволяющая виртуализировать FC-контроллер (по аналогии с сетевыми адаптерами), за счет чего виртуальные машины получают возможность непосредственного доступ к LUN. Реализован и более простой вариант с использованием общей сетевой папки SMB 3.0 для гостевых Windows Server 2012.
Одной из важных, но нетривиальных задач является установка программных обновлений в кластере. При этом может потребоваться перезагрузка узлов, поэтому процедура должна контролироваться. В операционной системе Windows Server 2012 предлагается инструмент Cluster-Aware Updating, который работает следующим образом: один из узлов назначается координатором и следит за наличием обновлений, загружает их на остальные узлы и выполняет поочередное обновление узлов, начиная с тех, которые загружены меньше всего. Благодаря этому доступность кластера сохраняется на максимально возможном уровне в течение всего процесса обновления.
Есть новшества и в управлении кворумом. Например, реализована возможность давать право голоса только некоторым узлам. Это может быть полезно при размещении отдельных узлов на удаленной площадке, но имеет наибольшую ценность при реализации новой модели динамического кворума. Основная идея динамического кворума состоит в том, что узел, прекративший свою работу и недоступный в течение определенного промежутка времени по любой причине, теряет право голоса вплоть до повторного подключения. Таким образом, общее число голосов сокращается и кластер сохраняет доступность максимально долго.
Новшества в Windows Server 2012 R2.
Операционная система Windows Server 2012 R2 не является простым обновлением Windows Server 2012, а представляет собой полноценную новую операционную систему. Новшества, реализованные в Windows Server 2012 R2 переводят некоторые возможности серверной платформы на качественно новый уровень. В первую очередь это касается SOFC и Hyper-V.
Высокодоступные виртуальные машины.
Упрощена процедура создания гостевых кластеров, поскольку теперь появилась возможность использовать в качестве общего хранилища обычные VHDX, которые внутри виртуальной машины будут представлены как Shared SAS-диски. При этом сами VHDX должны быть размещены на CSV или в общих папках SMB 3.0. При этом в виртуальных машинах могут использоваться как Windows Server 2012 R2, так и Windows Server 2012 (с обновленными интеграционными компонентами).
Опция DrainOnShutdown призвана избавить системных администраторов от ошибок и лишней работы. Функция активирована по умолчанию и при плановых перезагрузках или выключениях заранее переводит узел в такой режим обслуживания при котором эвакуируются все кластеризованные роли. При этом происходит миграция активных виртуальных машин на другие узлы кластера Hyper-V.
Также в новой операционной системе Windows Server 2012 R2 Hyper-V производит мониторинг сетевых интерфейсов в виртуальных машинах и в случае возникновения проблемы запускает процесс их миграции на узел, где доступна внешняя сеть.
Кворум.
Кроме динамического кворума в Windows Server 2012 R2 реализован еще и динамический диск-свидетель (witness). При изменении числа узлов его голос может быть автоматически учтен, так, чтобы общее число голосов оставалось нечетным. В случае, если сам диск окажется недоступным, его голос будет просто обнулен. Такая схема позволяет полностью положиться на автоматические механизмы, отказавшись от моделей кворума.
Увеличена надежность работы кластеров, размещенных на двух площадках. Часто при такой реализации на каждой площадке находится ровно половина узлов, поэтому нарушения коммуникации между площадками может возникнуть проблема с формированием кворума. Хотя с большинством подобных ситуаций успешно справляется механизм динамического кворума, в Windows Server 2012 R2 существует возможность назначить одной из площадок низкий приоритет, для того, чтобы в случае сбоя кластер всегда функционировал на основной площадке. В случае, если кластер был запущен с принудительным кворумом, то при восстановлении связи с удаленной площадкой службы кластера будут перезапущены в автоматическом режиме и весь кластер будет вновь объединен.
CSV 2.1
Существенные изменения коснулись и реализации CSV. Теперь роли владельцев томов равномерно распределяются по узлам в автоматическом режиме, в соответствии с изменением их числа. Увеличена отказоустойчивость CSV благодаря тому, что на каждом узле кластера запускается по два экземпляра серверной службы. Один используется для обслуживания клиентского SMB-трафика, другой обеспечивает коммуникацию между узлами. При этом обязательно производится мониторинг службы и в случае сбоя роль владельца CSV мигрирует на другой узел.
Целый ряд новшеств в CSV обеспечивает более эффективное использование SOFC и Storage Spaces. Добавлена поддержка файловой системы ReFS, которая обладает более совершенной, чем NTFS внутренней организацией. Скорее всего постепенно эта файловая система займет ведущее положение в продуктах компании Microsoft. Также в Windows Server 2012 R2 реализован механизм дедупликации, который ранее был прерогативой всецелевого файлового сервера. Активация дедупликации приводит к отключению CSV Block Cache, однако в некоторых случаях она может быть достаточно эффективной. Тома CSV могут создаваться на дисковых пространствах с контролем четности.
В Windows Server 2012 R2 возможность комбинировать накопители различных типов приобрела особый смысл с многоуровневыми пространствами. Появилась возможность формировать два уровня быстрый (на основе SSD) и емкий (на основе жестких дисках) и при создании виртуального диска выделять определенный объем из каждого из них. Далее в соответствии с некоторым расписанием содержимое виртуального диска будет анализироваться и размещаться блоками по 1 МБ на более быстрых или медленных носителях в зависимости от востребованности. Другим применением многоуровневых пространств является реализация кэша с обратной записью на SSD. В моменты пиковых нагрузок запись осуществляется на быстрые твердотельные накопители, а позже холодные данные перемещаются на более медленные жесткие диски.
Новшества, касающиеся CSV и Storage Spaces, являются наиболее существенными в Windows Server 2012 R2. На их основе можно разворачивать не просто надежные файловые серверы, а мощные и гибкие системы хранения данных с прекрасными возможностями масштабирования и отличной отказоустойчивостью, предоставляющие в распоряжение пользователя широкий спектр современных инструментов.
Читайте также:
Современные конвергентные системы для виртуализации от компании HP.
Решения виртуализации VMware.
