В сегодняшнем быстром цифровом мире время простоя системы неприемлемо, особенно для критических приложений, которые требуют непрерывной доступности. Инфраструктура высокой доступности (HA) необходима для бизнеса, который зависит от бесперебойного доступа к своим приложениям, сервисам и данным. Последствия простоя, такие как потеря доходов, снижение производительности и повреждение репутации, делают крайне важным создание устойчивых систем, предназначенных для бесперебойной работы, несмотря на сбои.

Эта статья в базе знаний предоставляет исчерпывающее руководство по построению инфраструктуры высокой доступности для критических приложений. Мы рассмотрим основные концепции, стратегии, инструменты и лучшие практики, необходимые для проектирования, реализации и управления архитектурой HA. Независимо от того, являетесь ли вы ИТ-специалистом или владельцем бизнеса, который хочет обеспечить работу критических приложений, эта статья даст вам знания для внедрения надежных и отказоустойчивых систем.

Понимание высокой доступности (HA)
Что такое высокая доступность?
Высокая доступность (HA) относится к проектированию системы, которая обеспечивает минимальное время простоя путем устранения единых точек отказа. Целью архитектуры HA является максимизация времени работы системы и минимизация воздействия сбоев. Системы HA достигают этого, включая избыточность, устойчивость к сбоям и механизмы переключения, чтобы гарантировать, что если один компонент выходит из строя, другой автоматически принимает его функции без прерывания обслуживания.

Ключевые компоненты высокой доступности
Избыточность: Избыточность гарантирует, что несколько экземпляров критических компонентов (например, серверов, баз данных, сетевых устройств) доступны, чтобы, если один из них выйдет из строя, другие могли немедленно взять на себя его функции. Избыточные системы могут быть развернуты на различных уровнях инфраструктуры, включая аппаратное обеспечение, программное обеспечение и сети.

Механизм переключения: Переключение — это процесс переключения с неработающего компонента на резервный компонент. Автоматизированные системы переключения обнаруживают сбои и передают нагрузку на резервную систему, чтобы приложения продолжали работать без заметного простоя.

Балансировка нагрузки: Балансировщики нагрузки распределяют входящий трафик между несколькими серверами, чтобы предотвратить перегрузку одного из них. Это не только улучшает производительность, но и повышает доступность, гарантируя, что если один сервер выйдет из строя, другие смогут обрабатывать трафик.

Кластеризация: Кластеризация включает объединение нескольких серверов или узлов, работающих как единая система. В кластере HA, если один узел выходит из строя, оставшиеся узлы продолжают предоставлять необходимые сервисы, тем самым предотвращая полный отказ системы.

Репликация данных: Репликация данных обеспечивает копирование критических данных на несколько систем или в несколько центров обработки данных. В случае сбоя аппаратного или программного обеспечения реплицированные данные позволяют продолжить работу без потери данных.

Планирование восстановления после катастроф (DR): В то время как высокая доступность фокусируется на предотвращении времени простоя, восстановление после катастроф касается восстановления работы после серьезного сбоя или катастрофы. Системы HA часто интегрируются с планами DR, чтобы обеспечить работу приложений даже в катастрофических ситуациях.

Принципы проектирования инфраструктуры высокой доступности
Устранение единых точек отказа
Одним из основных принципов архитектуры HA является устранение единых точек отказа. Единая точка отказа — это любой компонент, сбой которого приведет к простоям всей системы. Для предотвращения этого важно убедиться, что ни один компонент — будь то аппаратное обеспечение, программное обеспечение или сеть — не существует в изоляции без резервной или переключающей системы.

Шаги для устранения единых точек отказа:
Используйте избыточные серверы: Разверните несколько экземпляров серверов приложений, серверов баз данных и систем хранения данных. Если один сервер выходит из строя, другие могут продолжать обрабатывать нагрузку.
Избыточность сети: Обеспечьте избыточность сетевых путей, используя несколько сетевых интерфейсов, маршрутизаторов, коммутаторов и балансировщиков нагрузки.
Избыточные источники питания: Разверните источники бесперебойного питания (ИБП) и резервные источники питания, чтобы избежать простоя из-за отключения электроэнергии.
Реализация балансировки нагрузки
Балансировка нагрузки является критически важным компонентом инфраструктуры HA, поскольку она гарантирует равномерное распределение трафика между несколькими серверами. Это не только улучшает производительность приложений, но и обеспечивает доступность в случае отказа сервера.

Типы балансировщиков нагрузки:
Аппаратные балансировщики нагрузки: Специализированные устройства, которые балансируют трафик между несколькими серверами. Они подходят для высоконагруженных сред и предлагают расширенные функции, такие как SSL-терминация и проверка состояния.
Программные балансировщики нагрузки: Программные решения, такие как Nginx, HAProxy или AWS Elastic Load Balancer, распределяют трафик между серверами. Они более гибкие и экономичные для сред малого и среднего размера.
Преимущества балансировки нагрузки:
Масштабируемость: По мере роста трафика балансировщики нагрузки позволяют добавлять дополнительные серверы для обработки увеличенной нагрузки.
Устойчивость: Если один сервер становится неотзывчивым, балансировщик нагрузки автоматически перенаправляет трафик на здоровые серверы, обеспечивая непрерывную доступность.
Реализация кластеризации
Кластеризация включает соединение нескольких серверов в единую систему. Это гарантирует, что если один узел выйдет из строя, другие смогут немедленно взять на себя его функции, не влияя на доступность сервиса.

Типы кластеров:
Активно-активная кластеризация: Все узлы в кластере активно обрабатывают запросы. Если один узел выходит из строя, остальные узлы продолжают обрабатывать нагрузку, обеспечивая отсутствие простоя.
Активно-резервная кластеризация: В этой конфигурации один узел активен, а другой находится в резерве. Если активный узел выходит из строя, резервный узел становится активным и принимает на себя нагрузку.
Инструменты кластеризации высокой доступности:
Pacemaker: Pacemaker — это менеджер ресурсов кластера, который обеспечивает доступность ресурсов, таких как сервисы и приложения, путем мониторинга узлов кластера и обработки переключений.
Corosync: Corosync предоставляет услуги групповой связи, членства в кластере и кворума для кластеров HA.
Репликация данных в нескольких локациях
Репликация данных является ключом к обеспечению постоянной доступности критических данных, даже в случае аппаратных сбоев или природных катастроф. Реплицируя данные в нескольких локациях (например, в центры обработки данных или регионы), вы можете гарантировать, что ваши приложения будут продолжать работать, даже если одна локация становится недоступной.

Типы репликации данных:
Синхронная репликация: Данные реплицируются в реальном времени между локациями, что гарантирует отсутствие потери данных. Однако это может привести к задержкам из-за времени, необходимого для репликации данных на большие расстояния.
Асинхронная репликация: Данные реплицируются через интервалы, что делает процесс быстрее, но повышает риск потери данных, если сбой произойдет до завершения репликации.
Инструменты репликации данных:
GlusterFS: Масштабируемая сетевая файловая система, которая позволяет реплицировать данные между несколькими серверами и центрами обработки данных.
DRBD (Distributed Replicated Block Device): Инструмент репликации на уровне блоков для репликации данных между серверами, обеспечивающий высокую доступность данных.
Автоматическое переключение и восстановление
Переключение — это процесс автоматического перехода на резервную систему при сбое основной системы. Механизмы автоматического переключения обнаруживают сбои и инициируют процесс восстановления без вмешательства человека, что минимизирует перебои в обслуживании.

Стратегии переключения:
Холодное переключение: В этом случае резервная система запускается только после сбоя основной системы. Это вводит небольшой простой во время процесса переключения.
Теплое переключение: Резервная система работает, но не обрабатывает запросы. Когда происходит сбой, резервная система берет на себя нагрузку с минимальной задержкой.
Горячее переключение: Резервная система работает и активно обрабатывает запросы параллельно с основной системой. Это обеспечивает плавное переключение без простоя.
Инструменты автоматического переключения:
Keepalived: Инструмент на основе Linux, который обеспечивает высокую доступность, предоставляя переключение между несколькими серверами. Он использует протокол VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol) для достижения избыточности.
Heartbeat: Программное обеспечение для кластеров Linux, которое предоставляет возможности переключения высокой доступности между узлами в кластере.
Планирование восстановления после катастроф
В то время как высокая доступность сосредоточена на минимизации времени простоя, планы восстановления после катастроф (DR) необходимы для восстановления работы после катастрофических сбоев, таких как природные катастрофы, сбои в центрах обработки данных или серьезные аппаратные неисправности. Хорошо реализованный план DR гарантирует, что системы могут быть восстановлены до полной работоспособности как можно быстрее.

Компоненты плана восстановления после катастроф:
Процедуры резервного копирования и восстановления: Убедитесь, что регулярно выполняются резервные копии критических данных, конфигураций и приложений, а процессы восстановления часто тестируются.
Географическая избыточность: Развертывание ресурсов в нескольких географических локациях для защиты от сбоев на уровне центра обработки данных.
Цель точки восстановления (RPO): RPO означает максимальную приемлемую потерю данных, измеренную во времени (например, 5 минут потери данных). Убедитесь, что ваша стратегия резервного копирования соответствует вашему RPO.
Цель времени восстановления (RTO): RTO означает максимальное приемлемое время восстановления сервисов после сбоя. Убедитесь, что ваша стратегия переключения и DR соответствует вашему RTO.
Высокая доступность для специфических типов приложений
Высокая доступность для веб-приложений
Веб-приложения часто являются критически важными, требующими непрерывного времени работы для обслуживания пользователей и клиентов. Время простоя для веб-приложений может привести к значительным финансовым потерям и ухудшению качества обслуживания.

Стратегии для веб-приложений HA:
Использование балансировщиков нагрузки: Распределение трафика между несколькими веб-серверами с использованием балансировщиков нагрузки, чтобы, если один сервер выйдет из строя, другие смогут продолжать обслуживать запросы.
Развертывание нескольких веб-серверов: Использование пула веб-серверов в конфигурации активный-активный или активный-резервный для обеспечения избыточности.
Репликация базы данных: Использование методов репликации базы данных, таких как мастер-слейв или многомастерная репликация, чтобы обеспечить доступность базы данных даже при сбоях.
Инструменты для HA веб-приложений:
Nginx: Веб-сервер, который также может работать как балансировщик нагрузки, распределяя трафик между несколькими веб-серверами.
HAProxy: Мощный балансировщик нагрузки, который обеспечивает высокую доступность, распределяя запросы между несколькими серверами и проводя проверки состояния.