MỤC LỤC
Đề mục Trang
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I. CƠ BẢN VỀ CLUSTER 3
CHƯƠNG II. CLUSTERING MỨC HỆ ĐIỀU HÀNH 24
LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại bùng nổ của công nghệ thông tin hiện nay, mạng máy tính
đóng vai trò ngày càng quan trọng hơn trong hoạt động của các doanh
1
nghiệp, tổ chức cũng như các cơ quan nhà nước. Thậm chí ở một số đơn vị,
chẳng hạn như các công ty hàng không hoặc các ngân hàng lớn, mạng máy
tính có thể ví như hệ thần kinh điều khiển hoạt động của toàn doanh nghiệp.
Sự ngừng hoạt động của mạng máy tính trong những cơ quan này có thể làm
tê liệt các hoạt động chính của đơn vị, và thiệt hại khó có thể lường trước
được.
Chúng ta đều biết các máy chủ là trái tim của của mạng máy tính, nếu máy
chủ mạng hỏng, hoạt động của hệ thống sẽ bị ngưng trệ. Điều đáng tiếc là dù
các hãng sản xuất đã cố gắng làm mọi cách để nâng cao chất lượng của thiết
bị, nhưng những hỏng hóc đối với các thiết bị mạng nói chung và các máy
chủ nói riêng là điều không thể tránh khỏi. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần có
một giải pháp để đảm bảo cho hệ thống vẫn hoạt động tốt ngay cả khi có sự
cố xảy ra đối với máy chủ mạng, và công nghệ clustering (bó) là câu trả lời
cho vấn đề này. Ngày nay, trong môi trường công nghệ thông tin hiện đại,
chúng ta đã khá quen thuộc khái niệm Clustering. Vậy bản chất cốt lõi của
Clustering là gì? Và nó đem lại lợi ích gì khi ứng dụng công nghệ này?
2
CHƯƠNG I. CƠ BẢN VỀ CLUSTER
1.1 Khái niệm Clustering
Clustering là một kiến trúc nhằm đảm bảo nâng cao khả năng sẵn sàng
cho các hệ thống mạng máy tính. Clustering cho phép sử dụng nhiều máy
chủ kết hợp với nhau tạo thành một cụm (cluster) có khả năng chịu đựng hay
được máy chủ nào đang thực sự xử lý yêu cầu này. Một cách đơn giản,
người sử dụng chỉ việc truy nhập vào các ứng dụng một cách trong suốt và
luôn sẵn sàng, tin cậy cao.
Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống Cluster.
Một lợi ích khác là dễ dàng mở rộng về quy mô trong mô hình Cluster, ví
dụ khi xây dựng hệ thống Cluster ban đầu có thể về mặt kinh phí hoặc chưa
rõ lợi ích của Clustering đem lại, hệ thống chỉ được xây dựng dựa trên 2
Node. Nhưng nếu muốn hệ thống vẫn có thể được mở rộng thành 4 node, 8
node, tùy thuộc vào nhu cầu mà vẫn không gây ra ảnh hưởng gì đến hệ
thống đang vận hành, không có thời gian chết “downtime” của hệ thống. Để
tăng hiệu năng của hệ thống cũng có thể lắp thêm các CPU (Central
Processing Unit) (tạo thành máy SMP Symmetric Multiprocessing ), tăng
bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM, cho hệ thống Cluster. Tuy việc này
4
cũng làm cho hiệu năng của hệ thống nhưng nó không phải là giải pháp có
tính lâu dài đối với việc mở rộng quy mô, chia sẻ các ứng dụng trên hệ
thống. Hình vẽ sau mô tả việc mở rộng hệ thống Cluster và việc sử dụng
SMP
Hình 1.2: mô tả việc mở rộng hệ thống Cluster và việc sử dụng SMP
Khi muốn mở rộng quy mô của hệ thống Cluster chỉ đơn giản là việc mở
rộng CPU, RAM thì sẽ gây ra các vấn đề về “bottleneck” (nghẽn cổ chai)
khi mà tất cả các yêu cầu được gửi đến Cluster, làm cho CPU phải tính toán
nhiều hơn, bộ nhớ RAM được truy cập nhiều hơn làm lưu lượng trên BUS
bộ nhớ tăng lên đáng kế làm giới hạn thông lượng, và giảm hiệu năng của hệ
thống.
1.1.1 Lợi ích của hệ thống Cluster
Có rất nhiều lý do khác nhau để đưa ra mô hình xây dựng hệ thống
Cluster. Chúng ta luôn muốn đạt được, xây dựng một hệ thống có tính sẵn
sàng cao “High Availability” và tính dễ dàng mở rộng “Scalability” và
những đặc điểm này được nói rất nhiều bởi nó là đặc điểm nổi trội của
6
do nào. Tuy nhiên, bởi vì các hệ thống máy tính được xây dựng sử dụng các
linh kiện điện tử nên cũng rất có thể có lỗi, cả về phần cứng và phần mềm.
Các nhà thiết kế hệ thống phải làm sao phải loại bỏ các lỗi như này và giảm
thiểu các ảnh hưởng.
Một cách truyền thống trước đây, các ứng dụng này sử dụng một hệ
thống máy tính lớn (mainframe) rất tin cậy đối với các ứng dụng nhậy cảm
với lỗi này. Các hệ thống này có nhược điểm rất lớn đó là chi phí trên hiệu
năng “price/performance” thường rất cao. Ngày nay, các ứng dụng này hầu
hết được chạy trên các máy chủ hệ thống trên nền Intel, có tính cạnh tranh
hơn về price/performance.
Trước khi xem xét vấn đề làm thể nào để tăng cường khả năng sẵn sàng
của hệ thống, chúng ta sẽ định nghĩa nó gần gũi hơn. Đơn giản có thể hiểu,
tính sẵn sàng là phần trăm thời gian mà hệ thống vận hành và sẵn sàng với
các ứng dụng của người sử dụng. Tính sẵn sàng được tính bằng thời gian
trong suốt khoảng thời gian mà hệ thống sẵn sàng, ví dụ nếu ứng dụng yêu
cầu hệ thống luôn sẵn sàng từ 6 AM đến 11 PM hàng ngày, thì thời gian
downtime để bảo dưỡng hệ thống được tính từ 11:01 PM đến 5:59 AM của
ngày hôm sau sẽ không được tính vào thời gian sẵn sàng. Tuy nhiên, nếu hệ
thống đòi hỏi liên tục 24x7 thì bất cứ thời điểm nào hệ thống ngừng hoạt
động cũng được xem là thời gian downtime của hệ thống. Khả năng sẵn sàng
của hệ thống mainframe là khoảng 99.5% nhưng đối với hệ thống sẵn sàng
cao ngày nay, có thể đạt tới 99.99% và có thể còn tốt hơn nữa. Có thể đạt
được con số này, các người thiết kế hệ thống phải thiết kế rất chi tiết và phải
có kế hoạch dài hạn. Việc thiết kế này thường phải kết hợp với đặc tính chịu
đựng lỗi của hệ thống fault-tolerance.
Các nhà thiết kế hệ thống có kinh nghiệm luôn đưa ra các kiến trúc hệ
thống tối ưu với khả năng sẵn sàng cao, tính chịu đựng lỗi tốt, cho phép hệ
thống vẫn có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi có lỗi trong bất kỳ một thành
7
Logical Server Consolidation làm cho môi trường vận hành máy chủ trở
lại làm việc bình thường với các tác vụ như backup và các kết nối người
dùng. Lợi ích là của vấn đề này là làm giảm các thao tác của người quản trị
và giảm tải công việc việc quản lý. Đặc điểm này được gọi là ROI (Return
On Investment) (bảo vệ chi phí đầu tư).
• Sự vững chắc về vật lý (Physical Consolidation)
Các máy chủ đều nằm trong một phạm vi vật lý (phòng server) cho phép
cải thiện tính an ninh ở mức vật lý và tăng dung lượng, khả năng lưu trữ của
máy chủ, môi trường chia sẻ các thiết bị ngoại vi tốt hơn. Điều này có nghĩa
là làm giảm chi phí kết nối cable, đóng gói, phần cứng.
• Re-Centralization
Các máy chủ trong hệ thống Cluster được nhóm lại thành một máy chủ
Logic, có tính năng rất mạnh. Bộ xử lý của máy chủ này có thể luân phiên
được sử dụng để tận dụng tối đa nguồn tài nguyên xử lý, tận dụng tối đa
9
khoảng không gian đĩa cứng của hệ thống. Ngoài ra còn có những lợi thế
sau:
Chỉ cần duy nhất một hệ điều hành (tất cả các máy trong
hệ thống Cluster đều sử dụng cùng một hệ điều hành).
Giảm thiểu chi phí về License cho phần mềm hệ điều hành
Giảm thiểu chi phí về phần mềm các ứng dụng.
Giảm thiểu số lượng các version phần mềm hệ thống, ứng
dụng hỗ trợ (khi phần mềm đã hỗ trợ 1 Node thì cũng sẽ hỗ trợ các Node
còn lại)
1.2 Các thành phần của dịch vụ Cluster
Dịch vụ Cluster chạy trên mỗi node trong server cluster và điều khiển
mọi hoạt động của server cluster. Cluster service bao gồm nhiều thành phần
software làm việc cùng với nhau. Các thành phần này thực hiện việc theo
dõi, duy trì tính ổn định và vận chuyển các resource từ một node qua một
node khác
Cluster thông qua các thành phần dịch vụ Cluster khác như là Failover
Manager và Node Manager. Interface này dùng để tạo ra những thay đổi
tương tự như interface dùng để tạo ra những thay đổi tới registry qua
Windows Programming Interface (API). Những thay đổi khác này được
Database Manager tiếp nhận để cập nhật cho các node khác trong cluster
qua Global Update Manager.
• Event Log Replication Manager: Là một phần của dịch vụ Cluster
làm việc cùng với Event Log Service để sao chép các event log tới tất cả các
node trong Cluster. Các sự kiện này được đánh dấu để cho thấy node nào mà
sự kiện xảy ra trên đó. Các sự kiện được ghi lại trên một node được sắp xếp,
củng cố và gửi qua Event Log Replication Manager để broadcast tới các
node đang hoạt động khác. Nếu một vài sự kiện được ghi lại trong một
11
khoảng thời gian, mỗi sự kiện có thể broadcast một cách riêng lẻ, nhưng nếu
nhiều sự kiện được ghi lại trong một khoảng thời gian ngắn, chúng được kết
hợp với nhau trước khi broadcast. Các sự kiện được dán nhãn để cho biết
node nào chúng được xảy ra. Các node khác tiếp nhận các sự kiện và ghi
chúng lên local log.
• Failover Manager: Quản lý các tài nguyên và các nhóm tài nguyên.
Nó chịu trách nhiệm tắt hay khởi động các tài nguyên, quản lý các tài
nguyên liên quan và chuẩn bị cho một quá trình failover các nhóm tài
nguyên. Để thực hiện các hoạt động này, nó tiếp nhận tài nguyên và thông
tin trạng thái hệ thống từ các thành phần Cluster trên một node và từ
Resource Monitors. Resource Monitors cung cấp môi trường thực hiện cho
các tài nguyên DLL và cung cấp sự giao tiếp giữa các tài nguyên DLL và
FailoverManager. Failover Manager xác định node nào trong Cluster nên
sở hữu nhóm tài nguyên. Khi cần thiết phải failover một nhóm tài nguyên,
Failover Manager trên mỗi node trong Cluster làm việc cùng nhau để tái
chỉ định quyền sở hữu cho nhóm tài nguyên đó. Dựa trên cách mà nhóm tài
nguyên được cấu hình, Failover Manager có thể cục bộ khởi động lại tài
thời điểm nhất định. Trọng tâm của thành phần này là thuật toán regroup
được yêu cầu thực hiện bất cứ khi nào có dấu hiệu của một hay nhiều node
bị lỗi.
• Node Manager: Chạy trên mỗi node và duy trì một danh sách cục bộ
các node, các network, các network interface trong cluster. Qua sự giao tiếp
giữa các node, Node Manager đảm bảo cho tất cả các node có cùng một
danh sách các node đang hoạt động. Node Manager dùng những thông tin
trong cơ sở dữ liệu cấu hình Cluster để xác định các node nào được thêm
vào hay bị loại bỏ khỏi Cluster. Node Manager trên mỗi node cũng theo dõi
các node khác để tìm ra node bị lỗi. Để thực hiện việc theo dõi, nó gửi và
13
nhận những tin nhắn gọi là các heartbeat tới mỗi node trong Cluster. Nếu
một node có một sự giao tiếp bị lỗi với một node khác, nó gửi broadcast một
tin nhắn tới các node khác sao cho tất cả các node nhận tin nhắn này để xác
nhận lại danh sách các node đang hoạt động trong cluster. Quá trình này gọi
là một regroup event. Node Manager cũng tham gia vào quá trình một node
tham gia vào Cluster. Tại thời điểm một node được thêm vào Cluster, Node
Manager trên node đó thành lập một quá trình giao tiếp với các Node
Manager trên các node khác để thực hiện quá trình chứng thực.
• Resource Monitor: Cung cấp một interface giao tiếp giữa các tài
nguyên DLL và dịch vụ Cluster. Khi Cluster cần lấy dữ liệu từ một tài
nguyên, Resource Monitor tiếp nhận yêu cầu và đẩy yêu cầu đó tới tài
nguyên DLL thích hợp. Ngược lại, khi một tài nguyên DLL cần báo cáo
trạng thái của nó hoặc thông báo cho dịch vụ Cluster một sự kiện, tài nguyên
đẩy thông tin này từ tài nguyên tới dịch vụ Cluster.
• Backup/RestoreManager: Dịch vụ Cluster đưa ra một API dùng để
backup cơ sở dữ liệu cluster, Backup Cluster Database. Backup Cluster
Database trước tiên tương tác với Failover Manager, sau đó đẩy yêu cầu
tới node sở hữu tài nguyên quorum. Database Manager trên node đó sẽ được
yêu cầu và sau đó tạo một bản backup cho quorum log file và các file
thường nào đó. Thông thường, khi tất cả các node giao tiếp với nhau,
Configuration Database Manager gửi Global Configuration Database
update tới mỗi node. Tuy nhiên, khi fail trong quá trình trao đổi heartbeat
xảy ra, Log Manager cũng lưu lại cấu hình database thay đổi tới tài nguyên
Quorum. Nó đảm bảo các node còn hoạt động có thể truy cập thông tin cấu
hình Cluster mới nhất và dữ liệu registry cục bộ trên node trong quá trình
phục hồi
15
• Detect Resource Failure: Failover Managervà Resource Monitors
làm việc cùng với nhau để dò tìm và khôi phục resource bị fail. Resource
Monitors theo dõi trạng thái của tài nguyên bằng cách kiểm tra định kỳ các
tài nguyên sử dụng Resource DLLs. Việc kiểm tra vòng gồm hai bước, một
query LookAlive lướt qua và một query lâu hơn, cuối cùng - IsAlive. Khi
Resource Monitor dò tìm một tài nguyên bị lỗi, nó thông báo cho Failover
Manager và tiếp tục giám sát tài nguyên này. Failover Manager duy trì
trạng thái của các tài nguyên và nhóm tài nguyên. Nó cũng chịu trách nhiệm
thực hiện việc phục hồi khi một tài nguyên bị lỗi và sẽ yêu cầu Resource
Monitor phản hồi tới người tình trạng hoạt động hay không hoạt động của
tài nguyên. Sau khi tài nguyên bị fail được tìm thấy, Failover Manager có
thể thực hiện việc phục hồi bằng cách khởi động lại một tài nguyên và các
tài nguyên hay di chuyển toàn bộ nhóm tài nguyên tới một node khác. Công
việc phục hồi xác định đã được thực hiện bởi resource và resource group
properties và node availability .Trong quá trình failover, một resource
group được coi như là một failover unit, để đảm bảo resource được phục hồi
đúng. Khi một tài nguyênđược phục hồi từ trạng thái fail, Resource
Monitor thông báo tới Failover Manager để tự động thực hiện quá trình
“failback” các resource group dựa trên cấu hình của resource group
failback properties.
Ghi chú:
Đối với những Cluster có 2 node, dùng thông điệp unicast cho
và các node còn lại sẽ xác định node nào sẽ giữ quyền sở hữu tài nguyên
quorum. Mục đích của quá trình đàm phán quorum là tại một thời điểm đảm
bảo rằng chỉ một node duy nhấ tđược sở hữu quorum resource. Việc chỉ cho
một node sở hữu tài nguyên quorum là rất quan trọng bởi vì nếu tất cả các
17
giao tiếp giữa 2 hay nhiều node bị lỗi, nó có khả năng chia Cluster thành 2
hay nhiều phần riêng biệt để giữ cho nó vần tiếp tục hoạt động (split brain).
Server Cluster ngăn ngừa nó bằng cách chỉ cho phép duy nhất một Cluster
tách ra này có chứa node đang sở hữu tài nguyên quorum tiếp tục hoạt động
như một Cluster. Bất kỳ node nào không thể giao tiếp với node đang sở hữu
tài nguyên quorum, thì node đó sẽ không còn là node thành viên trong
Cluster.
• Cách cluster giữ cho các nhóm tài nguyên luôn sẵn sàng: Cluster
giữ cho các nhóm tài nguyên luôn sẵn sàng bằng cách theo dõi trạng thái của
các tài nguyên, mang các tài nguyên online, và tiến hành failover.
• Theo dõi trạng thái các tài nguyên: Resource Monitor đưa ra 2 cách
theo dõi trạng thái các tài nguyên trên node mà nó giám sát : Look Alive (tài
nguyên xuất hiện là online) và IsAlive (kiểm tra chi tiết trạng thái online và
hoạt động của tài nguyên là đúng chức năng).
• Cách Failover xảy ra: Quá trình failover xảy ra khi một nhóm hay
một node đang sở hữu tài nguyên bị lỗi. Một tài nguyên bị lỗi có thể là lý do
cho một nhóm lỗi nếu ta cấu hình Affect the group cho tài nguyên đó.
Failover có hai dạng: Resource failure hay Group failure và Node failure
hay mất sự giao tiếp giữa các node.
o Resource failure và Group failure: Khi một tài nguyên bị hỏng quá
trình sau sẽ xảy ra :
Resource Monitor dò tìm lỗi qua Looks Alive hay Is Alive hoặc qua
một sự kiện được ghi bởi tài nguyên đó. Resource Monitor gọi điểm vào Is
Alive của resource DLL để xác định tài nguyên đó bị hỏng
Nếu Is Alive bị lỗi, trạng thái tài nguyên chuyển thành lỗi
các nhóm tài nguyên dựa trên :
19
Các node mà ta chỉ định có khả năng sở hữu các nhóm tài nguyên đó.
Thứ tự được chỉ định trong danh sách các node ưu tiên
• Cách Failback xảy ra: Failback là quá trình dịch vụ Cluster chuyển
các nhóm tài nguyên trả về node thích hợp hơn sau khi node này online trở
lại.
Node mà một group được trả về chuẩn bị một quá trình failback. Failover
Manager trên node đó tương tác với Failover Manager trên node đang sở
hữu group và tiến hành đàm phán sau đó chuyển quyền sở hữu nhóm tài
nguyên trở về node thích hợp hơn.
1.4 Phân loại Cluster
Có nhiều cách để phân lọai Cluster như:
Clustering dựa trên nền tảng của phần mềm hay phần
cứng.
Clustering chạy như một dịch vụ của Hệ điều hành hay là
một dịch vụ độc lập.
Kiểu phần cứng được dùng để dữ liệu có tính Clustering
Ngày nay, các hệ thống Cluster trên nền Intel có các phương pháp khác
nhau và sẽ được tìm hiểu trong các phần tiếp theo.
1.4.1 Cluster dựa trên nền tảng phần mềm
Tùy thuộc vào nhu cầu mong muốn Clustering về khả năng sẵn sàng, có
nhiều mức để thiết lập Clustering:
Mức hệ điều hành như là MSCS, Linux Clustering,
Mức ứng dụng như Exchange Clustering, SQL Clustering,
Oracle Clustering, Lotus Clustering.
Cả mức hệ điều hành và mức ứng dụng.
1.4.2 Cluster dựa trên nền tảng phần cứng
Phương pháp dùng phần cứng Clustering thường được áp dụng đối với hệ
thống lưu trữ, có 2 loại Cluster được xem xét đó là Cluster trên đĩa lưu trữ
như nhau nhưng hiệu quả tính theo price/performance trong khi hoạt động
bình thường là không kinh tế.
Do đó, dựa vào đây, chúng ta có một cách khác nữa để phân loại Cluster
dựa trên 2 Node:
• Chủ động/Chủ động (Active/Active)
Đây là mô hình Cluster phổ biển, nó cung cấp khả năng sẵn sàng cao,
hiệu năng lớn. Mô hình này cũng tận dụng tối đa tài nguyên phần cứng của
hệ thống Cluster.
Mỗi Node đều có nhiệm vụ cung cấp các tài nguyên cho tất cả các Client
trong mạng. Khả năng hoạt động của mỗi Node cũng được điều khiển để tối
ưu hóa hiệu năng và có thể linh hoạt chia tải giữa các Node, và chuyển tải
khi 1 Node lỗi.
Tất cả các dịch vụ của máy Client vẫn luôn trong suốt khi failover giữa
các Node nhưng hiệu năng có giảm xuống.
• Chủ động/Thụ động (Active/Passive)
Mặc dù luôn cung cấp tính sẵn sang cao cho hệ thống và tối thiểu ảnh
hưởng đến hiệu năng của tài nguyên, nhưng mô hình Chủ động/Thụ động
cũng yêu cầu các Node có phần cứng như trong mô hình Chủ động/Chủ
động , trong khi đó hiệu năng chỉ đạt được bằng 1/2 trong trạng thái hoạt
động bình thường so với mô hình Chủ động/Chủ động. Node chủ động
(Primary) xử lý tất cả các yêu cầu từ phía Client trong khi Node thụ động
(Secondary) thì xử lý rất ít hoặc hầu như không xử lý (idle). Khi Node
Primary lỗi, thì Node Secondary sẽ khởi tạo tất cả các tài nguyên và tiếp tục
phục vụ các yêu cầu của Client mà không gây ảnh hưởng gì về phía Client
về hiệu năng.
• Hybrid
22
Mô hình Hybrid là sự kết hợp của cả 2 mô hình trên, bằng cách cho phép
chỉ failover các ứng dụng nhậy cảm. Hệ thống vẫn đảm bảo tính sẵn sàng
cao như trong mô hình Chủ động/Chủ động , trong khi các ứng dụng ít nhậy
rộng tính năng bằng cách cho phép phần mềm lỗi, cả phần mềm hệ thống và
phần mềm ứng dụng. Nếu hệ điều hành của 1 Node lỗi, tất cả các ứng dụng
24
và dịch vụ có thể được khởi tạo lại trên Node còn lại. MSCS thực hiện việc
này bằng cách liên tục cập nhật trạng thái của dịch vụ và ứng dụng, đảm bảo
bất cứ sự cố nào làm ngừng ứng dụng hoặc treo ứng dụng đều được khởi tạo
lại trên chính máy chủ đó hoặc trên máy chủ khác. Khi 1 Node lỗi, quá trình
khởi tạo lại các ứng dụng đang chạy trên Node khác được gọi là quá trình
failover. Failover có thể hoặc xảy ra tự động (khi các ứng dụng hoặc máy
chủ có sự cố) hoặc xảy ra một cách thủ công (manually) . Bằng việc failover
thủ công, người quản trị có thể chuyển tất cả các ứng dụng và tài nguyên
trên 1 Node sang Node còn lại (ví dụ như mục đích bảo dưỡng). Khi máy
chủ đó khởi động lại, trở lại trạng thái hoạt động bình thường thì các ứng
dụng cũng có thể được chuyển trở lại máy chủ này tự động hoặc thủ công.
Việc trả lại tài nguyên cho máy chủ này được gọi là quá trình failback.
Cách kết nối của hệ thống Cluster điển hình như sau:
Hình 2.1: Cách kết nối của hệ thống Cluster điển hình
Mỗi Node có tối thiểu là 2 kết nối mạng, 1 cho Private
(hearbeat, chỉ trao đổi dữ liệu giữa 2 Node với nhau), 1 cho Public (trao đổi
dữ liệu với mạng bên ngoài và cho chính các Node với nhau).
Tủ đĩa lưu trữ dùng chung cho hệ thống Cluster (Share
Disk), đây là tử đĩa ngoài, cho phép tất cả các Node có thể truy nhập tới,
25
Copyright: Tài liệu đại học ©