خوشه بندی سرور
زمان تخمینی مطالعه: 16 دقیقه
خوشه بندی سرور (Server clustering) روشی است که در آن چند سرور فیزیکی یا مجازی به عنوان یک واحد منطقی عمل می‌کنند تا رفتاری هماهنگ و مشترک از خود نشان دهند. هدف اصلی به‌کارگیری خوشه‌بندی سرور، افزایش عملکرد، قابلیت اطمینان و قابلیت توسعه سیستم است. در خوشه‌بندی سرور، سرورها به صورت متصل و هماهنگ با یکدیگر عمل می‌کنند و تقسیم بار (Load Balancing) را بین خود انجام می‌دهند. به بیان دقیق‌تر، توزیع درخواست‌ها و وظایف بین سرورها بر اساس الگوریتم‌های خاصی است که باعث افزایش عملکرد کلی زیرساخت میشود، زیرا بار کاری بین سرورها تقسیم میشود و هر سرور تنها بخشی از کار را بر عهده دارد. علاوه بر افزایش عملکرد، خوشه‌بندی سرور قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد. در صورتی که یکی از سرورها خراب شود یا از کار بیافتد، بقیه سرورها قادر به پوشش دادن کارکرد سرور خراب شده هستند و عملیات ادامه پیدا میکند. این حرف به معنای افزایش قابلیت اطمینان و کاهش زمان توقف سرویس (Downtime) است.
علاوه بر این، خوشه‌بندی سرور قابلیت توسعه زیرساخت را بهبود می‌بخشد. با اضافه کردن سرورهای جدید به خوشه، بار تقسیم میشود و به همان نسبت قابلیت اطمینان و عملکرد زیرساخت نیز افزایش پیدا میکند. رویکرد فوق به سازمان‌ها اجازه می‌دهد با رشد و توسعه خدمات خود، سیستم‌های خوشه‌بندی شده را به راحتی مقیاس‌پذیر کنند. در کل، خوشه‌بندی سرور یک روش استراتژیک است که باعث افزایش عملکرد، اطمینان و توسعه‌پذیری سیستم‌های سرور میشود. این روش معمولا در سرویس‌های بزرگ و پرترافیک مانند وب سایت‌ها، برنامه‌های آنلاین و سرویس‌های ابری استفاده میشود.
خوشه بندی سرور به چه صورتی انجام میشود؟
خوشه بندی سرور به صورت معمول از طریق به‌کارگیری نرمافزارهای خاصی انجام میشود که برای مدیریت و هماهنگی بین سرورها طراحی شده‌اند. روش‌ها و الگوریتم‌های مختلفی برای خوشه‌بندی سرور وجود دارند و انتخاب مناسب‌ترین روش بستگی به نیازها و محیط کاربردی دارد. برخی از روش‌های رایج خوشه‌بندی سرور به شرح زیر هستند:
تقسیم بار مبتنی بر درخواست (Request-based Load Balancing): در این روش، سرورها بر اساس تعداد درخواست‌هایی که دریافت می‌کنند، بار را تقسیم می‌کنند، برای این منظور می‌توان از الگوریتم‌های تقسیم بار مانند Round Robin، Least Connections و Weighted Round Robin استفاده کرد.
تقسیم بار مبتنی بر منابع (Resource-based Load Balancing): در این روش، تقسیم بار بر اساس منابع سخت‌افزاری مانند پردازنده، حافظه و پهنای باند شبکه صورت می‌گیرد. در روش فوق نیز الگوریتم‌های Weighted Round Robin و Least Connections قابل استفاده هستند.
تقسیم بار پویا (Dynamic Load Balancing): در این روش، فرآیند تقسیم بار بر اساس شرایط پویای سرورها انجام میشود. فرآیند تقسیم بار پویا از طریق به کارگیری الگوریتم‌هایی مانند Adaptive Load Balancing و Predictive Load Balancing قابل اجرا است که تصمیم‌گیری درباره توزیع بار را بر عهده دارند.
تقسیم بار مبتنی بر محتوا (Content-based Load Balancing): در این روش، بار بر اساس نوع محتوا یا عملیاتی که مشتری انتظار دارد انجام میشود. الگوریتم‌های Reverse Proxy و Content-aware Load Balancing برای این منظور استفاده می‌شوند.
علاوه بر روش‌های فوق، خوشه‌بندی سرور ممکن است از روش‌های دیگر مانند تکثیر دادهها (Data Replication) و شناسایی خرابی (Failure Detection) برای افزایش اطمینان و کاهش زمان توقف سرویس‌ها استفاده کند. در هر صورت، انتخاب یک روش خوشه‌بندی مناسب بر اساس نیازها و معیارها زیرساخت باید انجام شود. همچنین، دقت کنید که پس از خوشه‌بندی نیاز به تنظیم و پیکربندی صحیح سرورها، مدیریت بار و نگهداری منظم دارید تا خوشه‌بندی سرور به خوبی عمل کند.
چرا نیاز به خوشه بندی سرور داریم؟
به طور کلی خوشه بندی سرور به شرکت‌ها و سازمان‌هایی توصیه میشود که دارای بار کاری بالا هستند و به شکل مستمر اطلاعات حساس و ترافیک بالایی در شبکه در جریان است. ما به دلایل مختلفی از خوشه بندی سرور استفاده می‌کنیم. اولین مورد افزایش عملکرد است. با استفاده از خوشه‌بندی سرور، بار کاری بین سرورها تقسیم میشود و هر سرور مسئولیت انجام تنها بخشی از کارها را بر عهده دارد. این امر منجر به افزایش ظرفیت و قدرت پردازش سیستم میشود و عملکرد زیرساخت را به همراه دارد. مورد بعدی در ارتباط با افزایش قابلیت اطمینان است. در خوشه‌بندی سرور، در صورت خرابی یک سرور، سایر سرورها قادر به پوشش کارکرد آن سرور هستند که باعث کاهش زمان توقف عملکرد سرویس و افزایش قابلیت اطمینان زیرساخت میشود. انعطاف‌پذیری و توسعه‌پذیری یکی دیگر از دلایل نیاز به خوشه بندی است. با استفاده از خوشه‌بندی سرور، می‌توان به راحتی سرورهای جدید را به سیستم اضافه کرده و بار کاری را میان آن‌ها توزیع و تقسیم کرد. رویکرد فوق به سازمان‌ها اجازه می‌دهد با رشد و توسعه خدمات خود، سیستم‌ها را به راحتی مقیاس‌پذیر کنند. همچنین، خوشه‌بندی سرور، فرآیند مدیریت بار، نگهداری و پشتیبانی سیستم را ساده‌تر میکند. در این حالت قادر هستیم عملکرد سرورها را مانیتور کرده و در صورت لزوم تغییرات و بهینه‌سازی‌های لازم را انجام داد. در نهایت، خوشه‌بندی سرور، بهبود امنیت زیرساخت را ارتقا می‌دهد. با توزیع بار بین سرورها، حملات ممکن به یک سرور تاثیر کمتری خواهند داشت که پایداری زیرساخت را به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد. با توجه به توضیحاتی که ارائه کردیم باید بگوییم که خوشه‌بندی سرور بهبود عملکرد، اطمینان، انعطاف‌پذیری و امنیت را به همراه دارد و برای سازمان‌هایی که بار کاری بالا و تعداد زیادی کاربر دارند، توصیه میشود.
اجزای اصلی خوشه های سرور
به طور کلی، یک خوشه سرور متشکل از مولفه‌های مختلفی به شرح زیر است:
سرورها (Servers): سرورها نقطه اجرایی سرویس‌ها و برنامه‌های کاربردی هستند. آن‌ها وظیفه پردازش درخواست‌ها و ارائه خدمات به کاربران را بر عهده دارند. سرورها می‌توانند فیزیکی یا مجازی بوده و در یک شبکه به یکدیگر متصل شوند.
نرم‌افزار مدیریت خوشه (Cluster Management Software): این نرم‌افزارها وظیفه مدیریت و کنترل عملکرد خوشه را بر عهده دارند. آن‌ها مسئول توزیع بار، مانیتورینگ، مدیریت خرابی، پیکربندی و مدیریت منابع سرورها هستند. مثال‌هایی از این نرم‌افزارها شامل Kubernetes، Apache Mesos و Docker Swarm می‌شوند.
ماژول توزیع بار (Load Balancer): ماژول توزیع بار مسئول توزیع درخواست‌ها و بار کاری بین سرورها است. برای این منظور از الگوریتم‌های مختلفی مانند Round Robin، Least Connections و IP Hash برای تقسیم بار استفاده میکند. ماژول توزیع بار می‌تواند به صورت سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری پیاده‌سازی شود.
شبکه (Network): شبکه، ارتباط بین سرورها، ماژول توزیع بار و کاربران را فراهم میکند. کانال‌های ارتباطی برای انتقال درخواست‌ها، دادهها و پاسخ‌ها بین اجزای خوشه بسیار مهم هستند.
ذخیره‌سازی اشتراکی (Shared Storage): در برخی از خوشه‌های سرور، استفاده از ذخیره‌سازی اشتراکی اهمیت زیادی دارد. این نوع ذخیره‌سازی به سرورها امکان می‌دهد تا به صورت همزمان به دادهها دسترسی داشته باشند.
این اجزا در ترکیب با یکدیگر استفاده می‌شوند تا یک خوشه سرور قابل اعتماد، مقیاس‌پذیر و با عملکرد بالا ایجاد شود. البته، معماری و اجزای یک خوشه سرور ممکن است بسته به نیازها و فناوری‌های مورد استفاده متفاوت باشند.
خوشه بندی سرور چگونه کار میکند؟
همان‌گونه که اشاره کردیم، خوشه بندی سرور، فرآیندی است که در آن چند سرور در قالب یک مفهوم واحد که خوشه نام دارد با یکدیگر همکاری می‌کنند تا عملکرد و قابلیت اطمینان زیرساخت افزایش پیدا کند. به طور کلی، مکانیزم کاری خوشه‌بندی سرور به این صورت است که ابتدا فرآیند توزیع بار انجام میشود. در یک خوشه سرور، ماژول توزیع بار مسئول توزیع درخواست‌ها و بار کاری بین سرورها است. وظیفه اصلی این ماژول، توزیع درخواست‌های ورودی به سرورها به گونه‌ای است که بار کاری بین سرورها متوازن شود. در مرحله ابزارهای هماهنگ‌سازی به میدان وارد می‌شوند تا عملکرد سرورهای را با یکدیگر هماهنگ کنند تا نتیجه بهتری را ارائه دهند. این فرآیند هماهنگ‌سازی شامل به‌روزرسانی و مدیریت دادهها، جلوگیری از بروز تداخل در دریافت درخواست‌ها و ارسال پاسخ‌ها و هماهنگ‌سازی فعالیت‌ها است.
در برخی از خوشه‌های سرور، سرورها وظایف مشخصی دارند. به عنوان مثال، برخی سرورها ممکن است برای پردازش درخواست‌های وب تعیین شده باشند، در حالی که سرورهای دیگر ممکن است برای پردازش پایگاه داده و ذخیره‌سازی دادهها نقش داشته باشند. به همین دلیل، مهم است که وظایف هر سرور به درستی مشخص شده باشد تا فشار سنگینی به یک سرور وارد نشود. یکی از مزایای خوشه‌بندی سرور، مدیریت خرابی و افزایش قابلیت اطمینان زیرساخت است. در صورتی که یک سرور خراب شود یا از دسترس خارج شود، سایر سرورهای خوشه می‌توانند وظایف آن سرور را به عهده بگیرند و خدمات را ادامه دهند که باعث کاهش زمان توقف سرویس و افزایش قابلیت اطمینان میشود. خوشه‌بندی سرور به سازمان‌ها امکان می‌دهد با رشد و تغییر نیازهای خود، زیرساخت را به راحتی مقیاس‌پذیر کنند. با افزودن سرورها به خوشه، می‌توان ظرفیت سرویس را افزایش داده و بهبود عملکرد را به دست آورد.
انواع کلاسترینگ سرور
ما روش‌های مختلفی برای خوشه‌بندی سرورها در اختیار داریم که از مهم‌ترین آن‌ها به موارد زیر باید اشاره کرد:
خوشه‌بندی سخت‌افزاری (Hardware Clustering): در این روش، سرورها به صورت سخت‌افزاری به یکدیگر متصل می‌شوند و تشکیل یک خوشه را می‌دهند. سخت‌افزارها در این نوع خوشه‌بندی به عنوان یک واحد متمرکز عمل می‌کنند و با استفاده از اتصالات شبکه و پروتکل‌های خاص، اطلاعات را به صورت مشترک بین سرورها به اشتراک می‌گذارند. این روش قابلیت اطمینان بالا و افزایش عملکرد را به همراه دارد. دو نوع راه‌حل خوشه‌بندی سخت‌افزاری وجود دارد که خوشه‌بندی سخت‌افزاری برای برنامه‌های کاربردی بک‌اند مانند پایگاه‌های داده و خوشه‌بندی سخت‌افزار برای برنامه‌های فرانت‌اند مانند سرویس‌های وب است. خوشه‌بندی سخت‌افزار برای بک‌اند (مانند Microsoft failover cluster) بر اساس 2 سرور است که یک دیسک را با یک برنامه خودکار در صورت خرابی به اشتراک می‌گذارند. خوشه‌بندی سخت‌افزاری برای فرانت‌اند بر اساس مکانیزم متعادل‌کننده‌های بار (مانند F5 BIG-IP) در مقابل مزرعه‌ای از سرورها (2 سرور یا بیشتر) است. متعادل‌کننده بار جلسات TCP را در سرورهای موجود در مزرعه توزیع میکند.
خوشه‌بندی نرم‌افزاری (Software Clustering): در این روش، نرم‌افزار خوشه‌بندی روی سرورها نصب میشود و وظیفه توزیع بار کاری و هماهنگی بین سرورها را برعهده دارد. این نوع خوشه‌بندی معمولا در سطح سیستم‌عامل یا سطح برنامه‌نویسی انجام میشود. نمونه‌هایی از خوشه‌بندی سرور نرم‌افزاری شامل خوشه‌بندی با استفاده از Apache Tomcat و NGINX هستند. همانند خوشه‌بندی سخت‌افزار، دو نوع راه‌حل خوشه‌بندی نرم‌افزاری وجود دارد: خوشه‌بندی نرم‌افزاری برای برنامه‌های کاربردی بک‌اند مثل پایگاه‌های داده و خوشه‌بندی نرم‌افزاری برای برنامه‌های کاربردی فرانت‌اند مانند سرویس‌های وب. خوشه‌بندی نرم‌افزاری برای بک‌اند (مانند SafeKit) بر اساس 2 سرور است که در آن دادههای بلادرنگ با یک Failover خودکار برنامه در صورت خرابی تکثیر می‌شوند. خوشه بندی نرم‌افزار برای فرانت‌اند (مانند SafeKit) بر اساس تعادل بار در مزرعه‌ای از سرورها (2 سرور یا بیشتر) است. تعادل بار بر مبنای استفاده از نرمافزارهای مخصوص و مبتنی بر نشست‌های TCP است که فرآیند توزیع بار را میان سرورهای موجود در مزرعه کنترل میکند.
خوشه‌بندی سرور مجازی (Virtual Clustering): این روش مبتنی بر مجازی‌سازی است. در این حالت، سرورهای مجازی بر روی یک یا چند سرور فیزیکی ایجاد می‌شوند و به عنوان یک خوشه عمل می‌کنند. هر سرور مجازی می‌تواند منابع محاسباتی و ذخیره‌سازی را به طور مستقل در اختیار کاربر قرار دهد. به طور معمول، از راه‌حل‌های مجازی‌سازی مثل VMware یا Hyper-V برای این منظور استفاده میشود. این روش مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری بالایی را ارائه میکند.
کلاستر کوئوروم تک (یا استاندارد): این نوع خوشه‌بندی رایج‌ترین نوع است که از چندین گره به همراه یک یا چند آرایه دیسک خوشه‌ای تشکیل شده و از یک دستگاه اتصال واحد (Single Connection Device) تحت عنوان باس (Bus) استفاده میکند. یک سرور هر یک از آرایه‌‌‌های دیسک‌‌‌های خوشه‌ای را در خوشه کنترل و مدیریت میکند.
خوشه تنظیم شده بر اساس اکثریت گرهها: این نوع کلاسترینگ شباهت زیادی به کلاستر کوئوروم دارد، با این تفاوت که هر یک از گرهها دارای نسخه مخصوص به خود از دادههای پیکربندی خوشه هستند و این دادهها در تمام گرهها سازگار هستند. این مدل برای خوشه‌‌هایی با سرورهای مجزا که در مکانهای مختلف جغرافیایی قرار دارند، بهترین کارایی را دارد.
خوشه تک گره: خوشه تک‌گره (Single-Node Cluster) به معنای استفاده از یک گره (سرور) در یک سیستم خوشه‌بندی است. این مدل اغلب برای اهداف آزمایشی استفاده می شود و دارای یک گره واحد است. این گره می‌تواند بر روی یک سرور منعطف و قدرتمند قرار گیرد که تمامی وظایف سیستم را بر عهده دارد. استفاده از خوشه تک‌گره در موارد مختلفی استفاده میشود. اولین مورد توسعه و آزمایش نرم‌افزار است. در مراحل اولیه توسعه یک نرم‌افزار، ممکن است برای تست و آزمایش عملکرد آن، از یک خوشه تک‌گره استفاده شود. این کار باعث ساده‌تر شدن فرآیند تست و اشکال‌زدایی میشود. در برخی موارد، ممکن است نیاز به ایزوله‌سازی بخشی از سیستم وجود داشته باشد. در این صورت، استفاده از خوشه تک‌گره به عنوان یک محیط جداگانه و ایزوله برای اجرای این بخش از سیستم مناسب است. با توجه به اینکه در خوشه تک‌گره تنها یک گره وجود دارد، نیاز به پیکربندی و مدیریت چندین گره وجود ندارد. این موضوع می‌تواند هزینه‌های مربوط به پیکربندی و نگهداری سیستم را کاهش دهد. به عنوان نکته مهم، لازم به ذکر است که استفاده از خوشه تک‌گره معمولا برای موارد خاصی مناسب است و در سناریوهای بزرگ‌تر و پیچیده‌تر، استفاده از خوشه‌های چندگره منطقی‌تر است که امکان توزیع بار و افزایش قابلیت اطمینان را فراهم می‌کنند.
چرا بهتر است سرورهای خود را کلاسترینگ یا خوشه‌بندی کنید؟
خوشه‌بندی یا کلاسترینگ سرورها به عنوان یک روش برای مدیریت و افزایش عملکرد سرورها استفاده میشود. این روش به شما امکان می‌دهد تا سرورهای خود را به صورت متمرکز و هماهنگ به یکدیگر متصل کرده و بهره‌وری و قابلیت اطمینان بیشتری را به دست آورید. با استفاده از خوشه‌بندی سرورها، در صورت خرابی یک سرور، سایر سرورها می‌توانند بار کاری را به عهده بگیرند و خدمات را ادامه دهند. این امر منجر به کاهش توقف‌های ناخواسته و افزایش قابلیت اطمینان سیستم میشود. با استفاده از خوشه‌بندی سرورها، می‌توان به راحتی سرورهای جدید را به خوشه اضافه کرده و بار کاری را بین آن‌ها توزیع کرد. این امر مقیاس‌پذیری قدرتمندی ارائه می‌دهد و اجازه می‌دهد با افزایش ترافیک و نیاز به منابع بیشتر، سیستم خود را بهبود دهید.
خوشه‌بندی سرورها به ما اجازه می‌دهد تا بار کاری را به صورت متوازن بین سرورها توزیع کنیم و عملکرد سیستم را بهبود دهیم. این امر به شما امکان می‌دهد تا برنامه‌ها و خدمات خود را به صورت بهینه اجرا کنید که زمان پاسخ‌دهی کوتاه‌تر را به همراه خواهد داشت. با خوشه‌بندی سرورها، مدیریت و پشتیبانی از تعداد بزرگی از سرورها به صورت متمرکز انجام میشود که سهولت در مدیریت، پیکربندی و نگهداری سرورها را به همراه دارد. همچنین، با خوشه‌بندی سرورها، می‌توان به صورت پویا بار کاری را بین سرورها توزیع کرد و در صورت افزایش ترافیک، عملکرد زیرساخت را ارتقا داد. یکی دیگر از قابلیت‌های کاربردی که خوشه‌بندی سرورها در اختیار ما قرار می‌دهد، تقسیم بار کاری میان چند گره است. همچنین، خوشه‌بندی مقاومت در برابر خرابی را افزایش می‌دهد. با خوشه‌بندی سرورها، می‌توانید مقاومت در برابر خرابی را افزایش دهید. اگر یکی از سرورها خراب شود، سایر گرهها می‌توانند بار کاری را بر عهده بگیرند و خدمات را ادامه دهند. این امر به شما امکان می‌دهد تا توقف‌های ناخواسته را کاهش داده و خدمات بهتری به کاربران ارائه دهید.
خوشه بندی سرور چه ارتباطی با redundancy دارد؟
خوشه‌بندی سرورها و redundancy ارتباط مستقیمی با یکدیگر دارند. در واقع، خوشه‌بندی سرورها به شما امکان می‌دهد تا با استفاده از افزونگی ، قابلیت اطمینان سیستم خود را افزایش دهید. افزونگی به معنای تکثیر و داشتن بیش از یک نمونه از یک دستگاه، سرویس یا دادهها است. هنگامی که اصل افزونگی را مورد توجه قرار می‌دهیم، اطمینان خواهیم داشت در صورتی خرابی یک محصول یا سخت‌افزار، حداقل یک نسخه دیگر وجود دارد که مسئولیت انجام کارها را بر عهده می‌گیرد. افزونگی در ارتباط با مولفه‌های مختلفی مثل سرورها، شبکه‌ها، دیتابیس‌ها و سایر اجزا مهم قابل اجرا است. ما از افزونگی به منظور افزایش قابلیت اطمینان و کاهش توقف‌های ناخواسته استفاده می‌کنیم.
وقتی که سرورها را به صورت خوشه‌بندی یا کلاسترینگ در نظر می‌گیرید، شما تعدادی سرور را به عنوان یک خوشه در اختیار خواهید داشت. این سرورها می‌توانند به صورت فیزیکی در یک مکان و یا به صورت مجازی در مکانهای مختلف قرار گیرند. با ایجاد ارتباط بین سرورها، این خوشه به طور کلی به عنوان یک واحد عمل میکند و منابع و بار کاری را به صورت هماهنگ و موازی مدیریت میکند.
استفاده از خوشه‌بندی سرورها به شما امکان می‌دهد با توجه به رویکرد تکثیر، قابلیت اطمینان را افزایش دهید. با توزیع بار کاری بین سرورهای خوشه، در صورت خرابی یک سرور، سایر سرورها می‌توانند بار کاری را به عهده بگیرند و خدمات را ادامه دهند که همان اصل افزونگی است. به علاوه، با استفاده از خوشه بندی سرورها، می‌توانید از تکنیک‌های دیگر مرتبط با افزونگی استفاده کنید. به عنوان مثال، می‌توانید از روش‌های مانند تکثیر دیتابیس (database replication) استفاده کنید که دادهها را بین سرورها تکثیر میکند تا در صورت خرابی یک سرور، دادهها همچنان در دسترس باقی سرورها قرار بگیرند. بنابراین، خوشه‌بندی سرورها و افزونگی با یکدیگر مرتبط هستند. با استفاده از خوشه‌بندی می‌توانید قابلیت اطمینان زیرساخت را به شکل قابل توجهی افزایش دهید.
بدون دیدگاه