Computer Cluster, HA-Cluster und insbesondere Kubernetes Cluster haben in den letzten zehn Jahren einen erheblichen Anstieg an Akzeptanz erlebt. Start-ups und Technologie-Giganten nutzen gleichermaßen clusterbasierte Architekturen, um ihre Anwendungen in der Cloud bereitzustellen und zu verwalten. Aber was ist ein Cluster genau? Und warum sollten Sie erwägen, einen Cluster zum Hosten Ihrer eigenen Anwendung zu verwenden?
In diesem Beitrag geben wir einen Überblick über Computer Cluster, erklären die Vorteile der Verwendung eines Clusters anstelle eines einzelnen Computers und beschreiben, wie Unternehmen Cluster heute verwenden.
Definition von Computer Cluster
Ein Computer Cluster ist eine Gruppe verbundener Computer (Knoten, engl. node), die zusammenarbeiten, als wären sie eine einzige (viel leistungsfähigere) Maschine. Im Gegensatz zu sogenannten Grid-Computern, bei denen jeder Knoten eine andere Aufgabe ausführt, weisen Computer Cluster jedem Knoten dieselbe Aufgabe zu. Knoten in einem Cluster sind normalerweise über lokale Hochgeschwindigkeitsnetzwerke miteinander verbunden. Jeder Knoten führt seine eigene Instanz eines Betriebssystems aus. Ein Computer Cluster kann von einem einfachen Zwei-Knoten-System, das zwei Server miteinander verbindet, bis zu einem Supercomputer mit einer umfangreichen Cluster-Architektur reichen.
Typen von Computer Clustern
High Availability / Failover Cluster
Das Failover-Cluster besteht aus zwei oder mehr mit dem Netzwerk verbundenen Computern mit einer separaten Heartbeat-Verbindung zwischen den Hosts. Die Heartbeat-Verbindung zwischen den beiden Maschinen wird verwendet, um zu überwachen, ob alle Dienste noch verwendet werden: Sobald ein Dienst auf einer Maschine zusammenbricht, versuchen die anderen Maschinen zu übernehmen. High-Availability-Cluster (HA-Cluster), also hochverfügbare Cluster, sind Gruppen von mehreren Computern, die darauf ausgelegt sind, die Serveranwendungen bei minimaler Ausfallzeit zuverlässig zu betreiben. Meist werden diese Gruppen dann über mehrere Rechenzentrumsstandorte mit jeweils eigenen Internet-Uplinks verteilt, so dass bei Ausfall eines Rechenzentrums der Betrieb ohne Administratoreingriff weiter gewährleistet wird. Eine Hosted Private Cloud bietet hier den Einstieg in einen solchen HA-Cluster.
Load Balancing Cluster
Bei Load-Balancing-Clustern sieht das Konzept so aus, dass, wenn eine Anfrage für beispielsweise einen Webserver eingeht, der Cluster prüft, welche Maschine am wenigsten ausgelastet ist, und dann die Anfrage an diese Maschine sendet. Ein Load-Balancing-Cluster ist normalerweise auch ein Failover-Cluster, jedoch mit zusätzlicher Load-Balancing-Funktionalität und oft mit mehr Knoten.
High Performance Computing Cluster
High Performance Cluster verwenden Computer Cluster und Supercomputer, um fortgeschrittene Rechenprobleme zu lösen. Sie sind daran gewöhnt, Funktionen auszuführen, die Knoten zur Kommunikation benötigen, während sie ihre Aufgaben ausführen. Sie sind so konzipiert, dass sie die parallele Verarbeitungsleistung mehrerer Knoten nutzen.
Die Maschinen werden speziell konfiguriert, um Rechenzentren mit extremen Leistungsanforderungen das zu geben, was sie brauchen. Diese Arten von Clustern besitzen meist auch einige Lastausgleichsfunktionen; sie versuchen, verschiedene Prozesse auf mehrere Maschinen zu verteilen, um an Leistung zu gewinnen. Was diese jedoch besonders auszeichnet, ist, dass sie die parallele Verarbeitungsleistung mehrerer Knoten nutzen und gleichzeitig Prozesse, die separat ausgeführt werden können, auf verschiedene Maschinen verteilen, statt zu warten, bis sie nacheinander ausgeführt werden.
Beispiele für die Anwendung von Cluster Computing
- E-Commerce-Webseiten (Online Shops) verwenden es für eine schnellere Rechengeschwindigkeit und erfordern aufgrund von plötzlicher Nachfrage während der Angebotsperioden Hochverfügbarkeits- und Lastausgleichssysteme.
- Eine schnelle Bildwiedergabe kann unter Verwendung der Clustering-Technik erreicht werden. Die Filmindustrie erstellt und verarbeitet beispielsweise hochgrafische Videos und Animationen. Sie verwenden parallele Cluster zum Rendern von Grafiken und Animationen in erweiterter Qualität.
- Es wird auch in der Technik für Wettervorhersagen verwendet.
- Lösung hochkomplexer Rechenprobleme/-aufgaben.
- Vorhersage des Auftretens von Tornados und Erdbeben.
- Verwendung in verschiedenen Webanwendungen wie Suchmaschinen, Webservern oder E-Mail .
- Aerodynamik- und Data-Mining-Anwendungen verwenden den Clustering-Prozess.
Warum werden Computer Cluster von Unternehmen verwendet? Die Vorteile.
Hohe Verfügbarkeit
Eine Anwendung, die auf einem einzelnen Computer ausgeführt wird, hat einen einzigen „(single) point of failure“, was zu einer schlechten Systemzuverlässigkeit und häufig zu kompletten Ausfällen führen kann.
Cluster Computer besitzen im Gegensatz dazu eine hohe Verfügbarkeit. Wenn ein Knoten ausfällt, sind die anderen Knoten aktiv und fungieren als Proxy (Stellvertreter) für den ausgefallenen Knoten.
Skalierbarkeit
Es gibt zwei Klassifizierungen der Skalierung: vertikal und horizontal. Beim vertikalen Skalieren (auch als Hoch-/Runterskalieren bezeichnet) werden die einem Prozess zugewiesenen Ressourcen erhöht oder verringert, z. B. die Menge an Arbeitsspeicher, die Anzahl der Prozessorkerne oder der verfügbare Speicherplatz. Horizontales Skalieren (Scale-Out/In) hingegen ist, wenn zusätzliche, parallele Jobs auf dem System ausgeführt werden.
Bei der Verwaltung eines Clusters ist es wichtig, die Ressourcennutzung und -skalierung zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Clusterressourcen angemessen genutzt werden. Zum Glück liegt es in der Natur des Clusters, horizontal zu skalieren – der Administrator muss lediglich Knoten nach Bedarf hinzufügen oder entfernen, wobei er das Mindestmaß an Redundanz im Auge behalten muss, um sicherzustellen, dass der Cluster hochverfügbar bleibt.
Hohe Leistungsfähigkeit
Durch Parallelisierung von Operationen können Cluster eine höhere Leistung erzielen als eine einzelne Maschine. Dies liegt daran, dass sie nicht durch eine feste Anzahl von Prozessorkernen oder anderer Hardware begrenzt sind. Darüber hinaus kann die horizontale Skalierung die Leistung maximieren, indem verhindert wird, dass dem System die Ressourcen ausgehen.
Flexibilität
Cluster Computing kann auf überlegene Spezifikation aufgerüstet oder durch das Hinzufügen zusätzlicher Knoten (Computersysteme) erweitert werden.
Lastenausgleich (Load balancing)
Beim Lastenausgleich wird der Datenverkehr auf die Knoten eines Clusters verteilt, um die Leistung zu optimieren und zu verhindern, dass ein einzelner Knoten unverhältnismäßig viel Arbeit erhält. Ein Load Balancer kann auf dem/den Leader-/Hauptknoten installiert oder separat vom Cluster bereitgestellt werden. Durch regelmäßige Prüfungen auf jedem Knoten im Cluster kann der Load Balancer erkennen, ob ein Knoten ausgefallen oder überlastet ist und in diesem Fall den eingehenden Datenverkehr an die anderen Knoten im Cluster weiterleiten.
Kosteneffizienz
Im Vergleich zu hochstabilen und speicherintensiveren Großrechnern (Mainframe computer) gelten diese Formen von Cluster-Computing-Systemen als weitgehend kosteneffizient und kostengünstiger. Darüber hinaus bieten die meisten dieser Systeme eine höhere Leistung als Mainframe-Computersysteme.
Cluster und Cloud Computing
Vor der Einführung der Virtualisierungstechnik in der IT bestanden Computercluster aus einer Reihe physischer Maschinen, die über ein lokales Netzwerk (LAN) kommuniziert haben. Der Aufbau eines Computer Clusters erforderte eine sorgfältige Planung, um sicherzustellen, dass er den aktuellen und zukünftigen Anforderungen entspricht, da die Skalierung eines physischen Clusters Wochen oder sogar Monate dauern kann. Außerdem waren lokale oder selbstverwaltete Cluster im Falle regionaler Katastrophen nicht widerstandsfähig, sodass andere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden mussten, um die Redundanz zu gewährleisten. Beispielsweise würde die Nutzung eines zweiten Energieversorgers und das Hosten von Knoten an zwei physischen Standorten verhindern, dass lieferanten- oder regionsspezifische Stromausfälle den Cluster lahmlegen.
Was wurde aus dem Cluster im Cloud Computing?
Mit der Etablierung von Cloud-Lösungen in einer Private Cloud oder Public Cloud wurde ein Cluster vielfach zu einer Gruppe von Knoten, die auf virtuellen Maschinen gehostet werden und in einer virtuellen privaten Cloud verbunden sind. Durch die Verwendung der Cloud konnte ein Großteil der Kosten, die mit der Einrichtung eines Clusters verbunden waren, reduziert werden. Virtuelle Maschinen können nach Bedarf bereitgestellt werden, sodass Cluster innerhalb von Minuten skaliert werden können. Die Infrastruktur kann schnell aktualisiert werden und bietet die Flexibilität, die ein Cluster benötigt, um sich an ändernde Anforderungen anzupassen. Und schließlich kann die Bereitstellung von Knoten in mehreren Verfügbarkeitszonen und -regionen die Benutzerlatenz und die Ausfallsicherheit des Clusters verbessern.
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