Công nghệ clustering trên Linux 28/11/2003 09:34:01  Hiện nay công nghệ clustering được dùng rộng rãi cho các hệ thống cần độ sẵn sàng  phục vụ cao. Các nhà cung cấp lớn đều có các giải pháp clustering của mình. Các giải  pháp clustering trên Linux được đặc biệt quan tâm do tính kinh tế, khả nǎng dịch vụ  cao, và đa dạng. Chúng ta hãy cùng xem xét về công nghệ clustering Hiện nay công nghệ clustering được dùng rộng rãi cho các hệ thống cần độ sẵn sàng  phục vụ cao. Các nhà cung cấp lớn đều có các giải pháp clustering của mình. Các giải  pháp clustering trên Linux được đặc biệt quan tâm do tính kinh tế, khả nǎng dịch vụ  cao, và đa dạng.  Khái niệm clustering có nghĩa khác nhau trong các ngữ cảnh khác nhau. Clustering  bao gồm có hai hướng chính là: ­ Clustering cho tính toán (chẳng hạn Beowulf): kết hợp sử dụng nhiều máy để tǎng  sức mạnh tính toán, kiểu này thường được áp dụng cho các công việc đòi hỏi tính toán  chuyên sâu. Mô hình clustering này được dùng cho các dự án khoa học trong các lĩnh  vực thiên vǎn, hạt cơ bản, mô tả bản đồ gien, y học ­ Khả nǎng sẵn sàng phục vụ cao (High Availability ­ HA): sử dụng nhiều công nghệ  khác nhau nhằm đạt được mức tin cậy đặc biệt về dịch vụ khi gặp sự cố. Ví dụ như  các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP cần phải đảm bảo dịch vụ không gián đoạn  24/7/365 Ta không nên lẫn lộn về khái niệm giữa công nghệ clustering trong tài liệu này với  thuật ngữ khả nǎng chịu đựng sai sót (fault­tolerance). Các hệ thống chịu đựng sai  sót sử dụng phần cứng chuyên dụng cao (với giá thành rất cao) để cung cấp một môi  trường dư độ tin cậy đảm bảo cho các dịch vụ có thể hoạt động trơn tru mà không bị  dừng bởi một vài lỗi nhỏ. Các hệ thống Linux có khả nǎng phục vụ cao được thiết kế  để chạy trên các phần cứng thông dụng để đạt khả nǎng sẵn sàng cao tiệm cận khả  nǎng sẵn sàng cao của các hệ thống có khả nǎng chịu đựng sai sót với chi phí thấp  hơn vài lần.  Các hệ thống Linux clustering dựa trên các cấu hình dùng hai công nghệ nền tảng là  dùng máy dự phòng khi gặp lỗi (Fail Over Service ­ FOS) và Server ảo Linux (Linux  Virtual Server­LVS). Việc lựa chọn FOS hay LVS làm công nghệ nền cho máy chủ  Linux có khả nǎng phục vụ cao sẽ làm ảnh hưởng tới các yêu cầu về phần cứng và  các dịch vụ có thể được hỗ trợ. Ta hãy thử xem qua một vài ví dụ về cấu hình và xem  xét mức độ liên quan của chúng Các cấu hình FOS Máy chủ Linux có khả nǎng phục vụ cao dựa trên FOS gồm hai hệ thống hoạt động  trên nền hệ điều hành Linux. Mỗi một hệ thống phải được đảm bảo cung cấp đủ về  mặt cấu hình để có thể hỗ trợ đủ tải cho các dịch vụ. Điều này là cần thiết, bởi vì tại  bất kỳ thời điểm nào, chỉ có duy nhất một hệ thống (nút active) là cung cấp dịch vụ  cho khách hàng của bạn ­ Trong quá trình khởi tạo cấu hình của một cluster FOS, một hệ thống sẽ được coi là  nút chính (primary node), và hệ thống kia sẽ được gọi là nút sao lưu (backup node).  Sự khác biệt này được tạo ra để xác định hệ thống nào sẽ được khai báo là active để  cả hai hệ thống sẽ tự tìm kiếm trạng thái hoạt động tại cùng một thời điểm. Trong  trường hợp đó, nút chính sẽ "chiến thắng" Nút đang hoạt động (active node) sẽ đáp lại các yêu cầu về dịch vụ thông qua một  địa chỉ IP ảo (Virtual IP hay VIP). Địa chỉ VIP là một địa chỉ IP và nó chỉ khác so  với địa chỉ IP thông thường của một nút đang hoạt động Hệ thống khác (nút không hoạt động) không trực tiếp chạy dịch vụ, thay vào đó nó  quản lí các dịch vụ của nút đang hoạt động, và đảm bảo chắc chắn là nút đang hoạt  động vẫn phải đang còn hoạt động. Nếu nút không hoạt động phát hiện ra 1 vấn đề  nào đó với hoặc là nút hoạt động hoặc dịch vụ đang chạy trên nó, thì một thông báo  lỗi sẽ được khởi tạo Khi có lỗi, các bước sau sẽ được thực hiện: ­ Nút đang hoạt động sẽ trực tiếp ngắt hết các dịch vụ đang chạy (nếu nó đang chạy  và vẫn còn đang kết nối mạng) ­ Nút không hoạt động sẽ khởi động các dịch vụ ­ Nút đang hoạt động sẽ ngắt không sử dụng địa chỉ VIP (nếu nó vẫn đang chạy  hoặc còn đang nối mạng) ­ Nút không hoạt động bây giờ lại chuyển thành nút đang hoạt động, và ở chế độ sử  dụng địa chỉ VIP ­ Nếu nó vẫn còn đang chạy và đang kết nối mạng, nút trước kia là đang hoạt động  thì bây giờ trở thành không hoạt động, bắt đầu giám sát các dịch vụ và nói chung  thực hiện đầy đủ các chức nǎng của một nút đang hoạt động Hãy xem các cấu hình FOS cơ bản nhất: Một cấu hình FOS cơ bản Hình 1, là một cấu hình đơn giản FOS minh hoạ một máy chủ Linux cluster có khả  nǎng phục vụ cao. Trong trường hợp này, nút đang hoạt động cung cấp các dịch vụ  về Web và FTP, trong khi nút không hoạt động quản lý nút đang hoạt động và các  dịch vụ đang chạy trên nó Nếu không được minh hoạ trong sơ đồ này, cũng có thể là cả hai nút đang hoạt động  và không hoạt động được dùng vào việc khác, ít cấp bách hơn, các dịch vụ trong khi  thực hiện vai trò của chúng trong một FOS cluster. Ví dụ, hệ thống không hoạt động  có thể chạy lệnh inn để quản lý giao thức NNTP newsfeed. Tuy nhiên, cần lưu ý là  hoặc phải giữ cho hệ thống có khả nǎng còn đủ tài nguyên dư để đề phòng có một lỗi  xuất hiện, hoặc chọn các dịch vụ có khả nǎng tắt hệ thống trong trường hợp có lỗi  xảy ra. Hơn nữa, từ quan điểm của một người quản trị hệ thống, thì lý tưởng nhất là  có thêm một hệ thống dành riêng cho nút chính và nút sao lưu để thực hiện các dịch  vụ liên quan tới cluster, thậm chí ngay cả khi điều này cho kết quả của việc sử dụng ít  hơn 100% tài nguyên hệ thống Hình 1. Một ví dụ cấu hình FOS Một vấn đề của FOS cluster là khả nǎng toàn bộ cluster sẽ hạn chế khả nǎng của nút  hiện tại đang hoạt động. Điều này có nghĩa là, thêm vào các khả nǎng phụ khác trực  tuyến sẽ yêu cầu phải cập nhật (hoặc thay thế) cho mỗi hệ thống. Trong khi công  nghệ FOS lại bao hàm ý nghĩa là các cập nhật đó có thể thực hiện được mà không  làm ảnh hưởng tới tính sẵn có của dịch vụ.  Cần lưu ý thêm là FOS không phải là công nghệ chia xẻ dữ liệu (data­sharing  technology). Hay nói cách khác, nếu một dịch vụ đọc và ghi dữ liệu trên một nút  đang hoạt động, FOS sẽ không bao hàm cơ chế sao chép dữ liệu đó sang một nút  không hoạt động. Điều này có nghĩa là dữ liệu được dùng bởi các dịch vụ trên một  cluster FOS sẽ thuộc vào một trong hai nhóm dưới đây: ­ Dữ liệu không thay đổi; nó là dữ liệu chỉ đọc (read­only) ­ Dữ liệu không còn là chỉ đọc, nhưng nó lại sẵn sàng cho cả hai nút hoạt động và  không hoạt động một cách đều nhau Trong khi cấu hình thử nghiệm ở trên có thể là phù hợp với một Web site có các trang  Web là tĩnh, thì nó lại không thích hợp với một site FTP đang bận, đặc biệt là site mà  các file mới được upload liên tục bởi người sử dụng FTP site. Hãy thử xem qua cách  mà FOS cluster có thể sử dụng nhiều hơn các dữ liệu động Một cấu hình FOS với dữ liệu đã được chia xẻ Như đã nói ở trên, một số cơ chế được sử dụng để tạo dữ liệu đọc­ghi sẵn có cho cả  hai nút trong một FOS cluster. Một giải pháp là sử dụng khả nǎng lưu trữ NFS có thể  truy cập được. Bằng cách sử dụng tiếp cận này, các lỗi xảy ra với nút đang hoạt động  sẽ không ảnh hưởng đến kết quả của dữ liệu bị không truy cập được của nút không  hoạt động Tuy nhiên, cần phải thận trọng khi chặn quyền truy nhập tới các thiết bị lưu trũ NFS  nếu như đó chỉ là một lỗi đơn giản. Hơn nữa, sự mất mát của kiểu lưu trữ này có thể  ảnh hưởng tới kết quả ngưng chạy dịch vụ, thậm chí là ngay cả khi các nút hoạt động  và không hoạt động vẫn bình thường. Giải pháp ở hình 2 là sử dụng RAID và các  công nghệ khác để triển khai một máy chủ NFS chịu được lỗi (fault­resistant NFS  server) Hình 2. Một kiểu cấu hình FOS với dữ liệu chia xẻ Trong khi nó có thể là các sửa đổi khác nhau đối với cấu hình FOS cluster cơ bản là  có thể, thì trong thực tế, các lựa chọn là giới hạn trong một hệ thống cung cấp tất cả  các dịch vụ, trong khi một hệ thống sao lưu quản lý các dịch vụ đó, và khởi tạo lỗi  nếu có và khi cần. Để tǎng thêm khả nǎng mềm dẻo và một số khả nǎng khác, lựa  chọn giải pháp kết hợp là cần thiết. Và sự lựa chọn đó chính là LVS Các cấu hình LVS điển hình Bằng nhiều cách, một LVS cluster có thể được xem như là một FOS cluster chỉ với  một sai khác nhỏ ­ thay vì thực sự cung cấp các dịch vụ, nút đang hoạt động trong  LVS cluster lại gửi các yêu cầu tới một hoặc nhiều máy chủ mà thực sự cung cấp các  dịch vụ. Các máy chủ phụ này (gọi là các máy chủ thực ­ real servers) được thực hiện  cân bằng tải bởi nút đang hoạt động (trong thuật ngữ của LVS gọi là active router) Giống như FOS cluster, có hai hệ thống chia sẻ, đảm bảo rằng một trong hai hệ thống  là đang hoạt động, trong khi một hệ thống khác (inactive router) lại ở chế độ chờ để  khởi tạo lỗi. Tuy nhiên, chúng chỉ khác nhau ở điểm kết thúc Bởi vì nhiệm vụ chính của active router là chấp nhận các yêu cầu dịch vụ gửi đến và  gửi chúng tới một máy chủ thích hợp, điều đó cũng cần thiết cho active router để theo  dõi tình trạng của các máy chủ thực, và xác định xem máy chủ thực nào sẽ nhận các  yêu cầu dịch vụ trả về. Như vậy, active router quản lý tất cả các dịch vụ trên mỗi  mỗi server thực. Ngay cả khi dịch vụ gặp sự cố trên một máy chủ thực, active server  sẽ dừng việc gửi các yêu cầu dịch vụ tới nó cho tới khi dịch vụ hoạt động trở lại Thêm vào đó, active router có thể tuỳ ý sử dụng một trong số các thông số lịch trình  để xác định xem máy chủ thực nào có khả nǎng nhất trong việc xử lý các yêu cầu  dịch vụ tiếp theo. Các kiểu cân tải: ­ Luân chuyển (Round robin); ­ Kết nối tối thiểu (least connections); ­ Luân chuyển có trọng số;  ­ Kết nối tối thiểu có trọng số (least connections) Như vậy các active router có thể tính được tải hoạt động của máy chủ thực và phân tải  tương ứng. Các máy chủ thực có thể sử dụng các cấu hình phần cứng khác nhau, và có  một active router cân bằng tải cho mỗi real server một cách đều nhau Một cấu hình LVS cơ bản Trong hình 3 minh hoạ một kiểu máy chủ LVS cluster với 3 máy chủ thực cung cấp  dịch vụ về Web. Trong cấu hình này, các máy chủ thực được kết nối với một mạng  con đã được dành riêng. Bộ phân tuyến (router) có hai card giao diện mạng: ­ Một giao diện cho mạng chung ­ Một giao diện cho mạng riêng Các yêu cầu dịch vụ được gửi tới các địa chỉ IP ảo của cluster được nhận bởi active  router trên một giao diện, sau đó lại được chuyển sang máy chủ thực thích hợp khác  thông qua một giao diện khác. Trong trường hợp này, các bộ chọn đường đồng thời có  thể hoạt động như là một phần của các firewall; chỉ chuyển tiếp các dịch vụ hợp lệ  tới mạng riêng của máy chủ thực Hình 3. Một cấu hình LVS điển hình Một LVS cluster có thể sử dụng một trong 3 phương pháp khác nhau để phân tuyến  thông tin tới các máy chủ thực: ­ Dịch địa chỉ mạng (Network Address Translation), cho phép thiết lập một kiến  trúc mạng LAN riêng ­ Dẫn đường trực tiếp, cho phép thiết lập kiểu truyền theo kiểu mạng LAN ­ Đường hầm ­ Tunnelling (đóng gói IP) cho phép có thể phân phối các máy chủ thực  ở mức WAN Trong hình 3, bộ chọn đường NAT đang được sử dụng. Trong khi bộ chọn đường dựa  trên NAT cho phép nó có thể hoạt động với các máy chủ thực trong một môi trường  được bảo vệ tốt hơn, bởi nó phải dịch các địa chỉ của tất cả các thành phần đi và đến  từ mỗi máy chủ thực. Trong thực tế, điều này chỉ giới hạn kích thước của NAT­ routed LVS cluster tới xấp xỉ 10 đến 20 máy chủ thực Tổng chi phí cho giải pháp này sẽ là không hiện thực nếu sử dụng các bộ dẫn đường  kiểu tunnel (đường hầm) hoặc dẫn đường trực tiếp, bởi vì trong các kĩ thuật dẫn  đường này, các máy chủ thực phản hồi trực tiếp tới các hệ thống được yêu cầu. Với  kiểu tunneling tổng chi phí sẽ còn cao hơn nhiều so với kiểu trực tiếp, nhưng nó vẫn  nhỏ hơn khi so sánh với kiểu NAT Một khía cạnh khá thú vị của cluster LVS là các máy chủ thực không phải chạy trên  một hệ điều hành riêng biệt. Vì các kỹ thuật chọn đường sử dụng LVS đều dựa trên  các đặc điểm chuẩn TCP/IP, do đó với bất kì một nền công nghệ nào có hỗ trợ  TCP/IP đều có thể dùng được như là một phần của LVS cluster Cấu hình LVS phức tạp hơn Hình 4, minh hoạ một tiếp cận phức tạp hơn để triển khai hệ thống LVS. Kiểu cấu  hình này minh hoạ cho ta thấy một tiếp cận của việc triển khai các cluster bao gồm  một số lượng lớn các hệ thống. Tiếp cận này theo cấu hình này là chia xẻ một tập hợp  các máy chủ thực giữa nhiều router (và các router backup cùng với chúng) Hình 4. Cấu hình LVS phức tạp Bởi vì mỗi một active router chịu trách nhiệm xử lý các yêu cầu chọn đường gửi tới  một địa chỉ VIP duy nhất (hoặc tập hợp các địa chỉ), cấu hình này về cơ bản có thể  đại diện cho nhiều cluster. Tuy nhiên, round­robin DNS có thể được dung để giải  quyết một hostname đơn tới một trong số các địa chỉ VIP được quản lý bởi một trong  số các active router. Do đó, mỗi một yêu cầu dịch vụ sẽ được gửi tới mỗi một active  router, một cách hiệu quả là phân bố đều lưu lượng truyền qua các active router Kết luận Các nhà cung cấp giải pháp như IBM, SGI, HP, và Sun đều cung cấp các sản phẩm  và dịch vụ để xây dựng các cluster trên Linux. Sự quan trọng của Linux như một nền  server xoay quanh khả nǎng hỗ trợ các server lớn và các cluster cho phép cạnh tranh  với các Unix server. Các bạn có thể thấy có nhiều tổ chức dùng các giải pháp cluster  trên Linux để tính các bài toán lớn hoặc phục vụ các Website. Clustering là một trong  các dịch vụ đã được thử thách thành công trên Linux. Việc dùng các giải pháp trên  Linux đã giảm giá thành giải pháp cluster vài lần và đạt tính sẵn sàng phục vụ cao,  thậm chí đến "bốn số chín" 99,99%.