خوشه سرور (Server Cluster): تعریف، مزایا، موارد استفاده
یک خوشه سرور (Server Cluster)، گروهی از سرورها است که برای ارائه یک سیستم یکپارچه با هم کار میکنند. خوشهها، وظایف را بین سرورهای متعدد توزیع میکنند که باعث بهبود عملکرد و به حداقل رساندن زمان خرابی (downtime) میشود.
به گزارش اپست به نقل از phoenixnap ، این مقاله توضیح خواهد داد که خوشه سرور چیست، چگونه کار میکند، انواع مختلف خوشهبندی، و مزایا و چالشهای کلیدی استفاده از خوشههای سرور.
خوشه سرور چیست؟
خوشه سرور (Server Cluster) مجموعهای از سرورهای مستقل است که به عنوان یک سیستم واحد عمل میکنند. هر سرور، که گره (node) نامیده میشود، از طریق یک شبکه متصل شده و توسط نرمافزار خوشهبندی تخصصی مدیریت میشود. هدف از خوشهبندی، بهبود در دسترس بودن (availability)، عملکرد (performance)، و قابلیت اطمینان (reliability) از طریق تجمیع منابع و توزیع بار کاری است.
خوشهها معمولاً در محیطهایی استفاده میشوند که دسترسی بدون وقفه به دادهها و برنامهها حیاتی است. اگر یک گره دچار خرابی شود، خوشه بهطور خودکار وظایف را به سایر گرههای فعال هدایت میکند و خطر از کار افتادگی (downtime) را کاهش میدهد. این اضافهکاری (redundancy)، خوشهها را به یک جزء اصلی در استراتژیهای در دسترس بودن بالا (high availability) و بازیابی بلایا (disaster recovery) تبدیل میکند.
نحوه کار خوشه سرور چگونه است؟
خوشه سرور (Server Cluster) با اتصال چندین سرور، یا گره (node)، از طریق یک شبکه پرسرعت و هماهنگسازی فعالیتهای آنها با استفاده از نرمافزار خوشهبندی کار میکند. هر گره قدرت محاسباتی، حافظه و فضای ذخیرهسازی را فراهم میکند که این امر مجموعهای از منابع را ایجاد میکند که خوشه به عنوان یک سیستم واحد آنها را مدیریت میکند.
نرمافزار خوشهبندی سلامت و وضعیت هر گره را نظارت میکند. هنگامی که یک گره دچار خطا میشود یا پاسخگو نیست، نرمافزار به طور خودکار بار کاری را بین گرههای فعال باقیمانده توزیع مجدد میکند. این فرآیند که به عنوان Failover (انتقال خطا) شناخته میشود، در دسترس بودن مداوم برنامهها و خدمات را تضمین میکند.
خوشهها را میتوان برای اهداف خاصی مانند در دسترس بودن بالا (High Availability)، توزیع بار (Load Balancing)، یا ترکیبی از هر دو، بسته به نیازهای سازمان، پیکربندی کرد.
موارد استفاده از خوشهبندی سرور (Server Clustering Use Cases)
خوشههای سرور در محیطهایی مستقر میشوند که قابلیت اطمینان (reliability)، مقیاسپذیری (scalability) و عملکرد (performance) سیستم حیاتی هستند. موارد استفاده رایج عبارتند از:
- میزبانی پایگاه داده (Database hosting). خوشهها از حجم بالای تراکنشها پشتیبانی کرده و دسترسی مداوم به پایگاههای داده را تضمین میکنند و به این ترتیب عملیات یکپارچه را تسهیل مینمایند. اگر یک گره (node) دچار خرابی شود، گرههای دیگر به حفظ عملیات پایگاه داده بدون وقفه ادامه میدهند.
- میزبانی وب (Web hosting). وبسایتها و برنامههای کاربردی با ترافیک بالا به خوشهها متکی هستند تا درخواستها را بین چندین سرور متعادل کنند، که این امر تأخیر (latency) را کاهش داده و از از کار افتادن سیستم (downtime) جلوگیری میکند.
- مجازیسازی سرور و زیرساخت ابری (Server virtualization and cloud infrastructure). خوشهها منابع محاسباتی و ذخیرهسازی را به اشتراک میگذارند (pool میکنند)، که این امکان را به ماشینهای مجازی و کانتینرها میدهد تا با کمترین اختلال بین گرهها جابجا شوند.
- خدمات فایل و ذخیرهسازی (File and storage services). خوشهها سیستمهای ذخیرهسازی مشترک با افزونگی (redundancy) فراهم میکنند تا اطمینان حاصل شود که فایلها حتی در صورت خرابی بخشی از زیرساخت، همچنان در دسترس باقی میمانند.
- برنامههای کاربردی سازمانی (Enterprise applications). ابزارهای حیاتی کسبوکار، مانند سیستمهای برنامهریزی منابع سازمانی (ERP) و مدیریت ارتباط با مشتری (CRM)، اغلب بر روی خوشهها اجرا میشوند تا در دسترس بودن را تضمین کرده و عملکرد را تحت استفاده سنگین حفظ کنند.
- محاسبات علمی و دادههای بزرگ (Scientific computing and big data). خوشههای با عملکرد بالا وظایف محاسباتی در مقیاس بزرگ و پردازش داده را که فراتر از ظرفیت یک سرور واحد هستند، انجام میدهند.
انواع خوشههای سرور (Types of Server Clusters)
خوشههای سرور با پیکربندیهای متفاوتی طراحی میشوند که بسته به الزامات حجم کاری و نیازهای تحمل خطا (fault-tolerance) متفاوت است. نحوه ارتباط گرهها و به اشتراکگذاری دادهها، عملکرد خوشه و نحوه واکنش آن به خرابیها را تعریف میکند.
بخشهای زیر، انواع اصلی خوشههای سرور را توضیح میدهند.
خوشه با حدنصاب واحد (Single-Quorum Cluster)
یک خوشه با حدنصاب واحد از یک دستگاه ذخیرهسازی مشترک استفاده میکند که همه گرهها میتوانند به آن دسترسی داشته باشند. حدنصاب (quorum) حداقل تعداد رأی یا منابع مورد نیاز برای عملکرد ایمن خوشه است. در یک خوشه با حدنصاب واحد، منبع حدنصاب، که معمولاً یک دیسک است، دادههای پیکربندی خوشه را ذخیره کرده و سازگاری (consistency) را در سراسر گرهها تضمین میکند. تنها یک نسخه از این دادهها وجود دارد و خوشه برای عملیاتی باقی ماندن به آن وابسته است.
اگر دیسک کوorum از کار بیفتد، ممکن است کل کلاستر (خوشه) از دسترس خارج شود، حتی اگر خود گرهها (سِرورها) همچنان فعال باشند. به همین دلیل، کلاسترهای تکـکوorum نیاز به سیستمهای ذخیرهسازی مشترک با قابلیت اطمینان بسیار بالا دارند و در استقرارهای مدرن نسبت به مدلهای کلاسترینگ انعطافپذیرتر، کمتر رایج هستند.
کلاستر مجموعه گرهـاکثریتی (Majority-Node Set Cluster)
یک کلاستر مجموعه گرهـاکثریتی به یک دیسک کوorum مشترک واحد متکی نیست. در عوض، هر گره نسخه محلی خود از دادههای پیکربندی کلاستر را نگهداری میکند. کلاستر تا زمانی عملیاتی باقی میماند که بیش از نیمی از گرهها آنلاین باشند و با یکدیگر در ارتباط باشند.
این طرح نقطه تک شکست (SPOF) موجود در خوشههای با اجماع واحد (single-quorum) را از بین میبرد. خوشههای با مجموعه گرههای اکثریت انعطافپذیرتر هستند و در محیطهای مدرن استفاده میشوند، به ویژه در سیستمهای توزیع شده جغرافیایی که در آنها ذخیرهسازی مشترک غیرعملی است.
خوشه تک گره (Single-Node Cluster)
یک خوشه تک گرهی تنها شامل یک سرور است که نرمافزار خوشهبندی را اجرا میکند. از آنجایی که گرههای اضافی وجود ندارند، قابلیت Failover (بازیابی خودکار هنگام شکست) یا توزیع بار (Load Balancing) را نمیتواند فراهم کند. هدف اصلی این پیکربندی، تست، توسعه یا نمایش است، جایی که شبیهسازی یک محیط خوشهای ضروری است اما به انعطافپذیری کامل نیازی نیست.
درست است که خوشههای تکگرهای برای استفاده در محیط عملیاتی (production) مناسب نیستند، اما برای ارزیابی فناوریهای خوشهبندی و اعتبارسنجی سازگاری برنامهها قبل از پیادهسازی یک تنظیمات چندگرهای، مفید هستند.
💻 فناوریهای خوشهبندی سرور
خوشههای سرور به نرمافزارها و پلتفرمهایی متکی هستند که گرهها را هماهنگ میکنند، بارهای کاری را مدیریت میکنند و در دسترس بودن بالا (High Availability) را حفظ میکنند. این فناوریها راهحلهای عملی برای پیادهسازی خوشهها در محیطهای عملیاتی ارائه میدهند و تضمین میکنند که برنامهها تحت تقاضاهای مختلف، عملیاتی و مقیاسپذیر باقی میمانند.
📋 لیست رایجترین فناوریهای خوشهبندی:
- خوشهبندی Failover سرور ویندوز (WSFC – Windows Server Failover Clustering). این فناوری که در ویندوز سرور ادغام شده است، در دسترس بودن بالا را برای برنامهها، خدمات و ماشینهای مجازی فراهم میکند. از failover خودکار و توزیع بار در چندین گره پشتیبانی میکند.
- Pacemaker به همراه Corosync. یک پشته خوشهبندی متنباز است که در سیستمهای لینوکس استفاده میشود. Pacemaker منابع را مدیریت کرده و failover را هماهنگ میکند، در حالی که Corosync وظیفه پیامرسانی و مدیریت quorum (حدنصاب) را بر عهده دارد. آنها با هم، در دسترس بودن بالای قوی را برای برنامههای مختلف ارائه میدهند.
- در دسترس بودن بالا vSphere (HA) شرکت VMware. یک فناوری خوشهبندی متمرکز بر مجازیسازی است که در صورت خرابی یک گره، بهطور خودکار ماشینهای مجازی را بر روی میزبانهای سالم راهاندازی مجدد میکند.
- خوشههای برنامه واقعی Oracle (RAC – Oracle Real Application Clusters). یک فناوری خوشهبندی پایگاه داده است که به چندین سرور اجازه میدهد تا پایگاههای داده اوراکل را همزمان اجرا کنند. این امر مقیاسپذیری و در دسترس بودن بالا را تضمین میکند.
- خوشهبندی Kubernetes. یک پلتفرم ارکستراسیون کانتینر است که بارهای کاری را در چندین گره توزیع میکند و از مقیاسپذیری، خودترمیمی (self-healing) و failover خودکار برای برنامههای کانتینریشده پشتیبانی میکند. این یک سیستم خوشهبندی سنتی سرور نیست. این فناوری بهطور خاص برای بارهای کاری کانتینریشده ایجاد شده است.
خوشهبندی سرور و در دسترسپذیری بالا (Server Clustering and High Availability)
در دسترسپذیری بالا (HA) یک هدف اصلی خوشهبندی سرور است. این ویژگی تضمین میکند که برنامهها و خدمات حتی در صورت خرابی یک یا چند سرور، همچنان فعال باقی بمانند. خوشهها با ترکیب مازادپذیری (redundancy)، انتقال خودکار بار کاری در صورت خرابی (automated failover)، مدیریت حدنصاب (quorum management)، و نظارت مستمر منابع (continuous resource monitoring) به در دسترسپذیری بالا دست مییابند. این سازوکارها زمان از کار افتادگی (downtime) را کاهش میدهند، تداوم خدمات را حفظ میکنند و از بارهای کاری حیاتی کسبوکار پشتیبانی مینمایند.
بخشهای زیر، اجزای کلیدی را که در دسترسپذیری بالا را در خوشههای سرور ممکن میسازند، توضیح میدهند.
پیکربندیهای فعال-فعال و فعال-غیرفعال (Active-Active and Active-Passive Configurations)
خوشههای با در دسترسپذیری بالا معمولاً در یکی از دو پیکربندی زیر پیادهسازی میشوند:
- فعال-فعال (Active-Active): تمام گرهها (nodes) آنلاین هستند و به طور همزمان به صورت فعال ترافیک را مدیریت میکنند. بارهای کاری برای بهبود عملکرد و تحمل خطا در میان گرهها توزیع میشوند. اگر یک گره از کار بیفتد، گرههای باقیمانده بدون وقفه به ارائه خدمات ادامه میدهند.
- فعال-غیرفعال (Active-Passive): یک گره فعال است و ترافیک را مدیریت میکند، در حالی که گرههای غیرفعال در حالت آمادهباش باقی میمانند. اگر گره فعال از کار بیفتد، یک گره غیرفعال مسئولیت را به عهده میگیرد. این تنظیم تداوم را تضمین میکند اما ممکن است در طول عملکرد عادی، منابع به طور کامل استفاده نشوند.
مازادپذیری (Redundancy)
مازادپذیری در خوشههای سرور شامل نگهداری چندین کپی از منابع حیاتی، مانند برنامهها، دادهها و توان محاسباتی، در میان گرههای مختلف است. اگر یک گره از کار بیفتد، گرههای دیگر بدون وقفه به مدیریت بارهای کاری ادامه میدهند.
این تکرار (duplication) تضمین میکند که خدمات در دسترس باقی بمانند و از ایجاد نقطه شکست منفرد (single point of failure) که باعث از کار افتادگی شود، جلوگیری میکند.
انتقال بار کاری در صورت خرابی (Failover)
انتقال بار کاری در صورت خرابی (Failover) یک انتقال خودکار بار کاری از یک گره خراب به گرههای سالم در داخل خوشه است. نرمافزار خوشهبندی به طور مستمر سلامت گرهها را نظارت میکند و هنگامی که مشکلی شناسایی میشود، فرآیند انتقال بار کاری در صورت خرابی را فعال میکند.
این فرآیند اختلال در خدمات را به حداقل میرساند و برای حفظ دسترسی بدون وقفه به برنامهها و دادهها ضروری است.
مدیریت حدنصاب (Quorum Management)
حدنصاب (Quorum) حداقل تعداد عناصر خوشه است که باید آنلاین باشند و بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند تا خوشه به عملکرد خود ادامه دهد. مدیریت حدنصاب تضمین میکند که تنها یک زیرمجموعه از گرهها در هر زمان، کنترل خوشه را در دست داشته باشند. این امر از سناریوهای تقسیم مغز (split-brain)، که در آن گرههای قطع شده به طور مستقل عمل میکنند و خطر آسیب رساندن به دادهها وجود دارد، جلوگیری میکند.
با الزامی کردن حدنصاب، خوشه تصمیمات ثابتی در مورد اینکه کدام گرهها در طول خرابیهای سختافزاری یا قطع شدن شبکه فعال بمانند، اتخاذ میکند.
نظارت بر منابع (Resource Monitoring)
نرمافزار خوشه به طور مستمر وضعیت گرهها، برنامهها و خدمات را نظارت میکند. اگر کاهش عملکرد (performance degradation)، خرابیها یا مشکلات اتصال رخ دهد، نرمافزار به طور خودکار بارهای کاری را باز توزیع (redistributes) میکند یا برای مدیران هشدار صادر مینماید.
نظارت بر منابع مدیریت پیشگیرانه را تضمین میکند و به حفظ در دسترسپذیری بالا در سراسر خوشه کمک میکند.
خوشهبندی سرور و توازن بار (Server Clustering and Load Balancing)
توازن بار (Load balancing) بارهای کاری را در میان چندین سرور در یک خوشه توزیع میکند تا استفاده از منابع (resource utilization) را بهینه سازد، عملکرد را بهبود بخشد و از تبدیل شدن هر گرهای به یک نقطه گلوگاه (bottleneck) جلوگیری نماید. با تخصیص یکنواخت وظایف، خوشهها ترافیک بالاتری را مدیریت میکنند، زمان پاسخگویی را کاهش میدهند و با افزایش تقاضا به طور مؤثر مقیاسپذیر (scale efficiently) هستند.
بخشهای زیر توضیح میدهند که خوشههای سرور چگونه توازن بار را پیادهسازی میکنند و عملکرد سیستم را تحت بارهای کاری متغیر حفظ مینمایند.
توزیع وظایف (Task Distribution)
خوشهها درخواستهای ورودی یا وظایف پردازشی را در میان چندین گره توزیع میکنند تا از تحمیل بار بیش از حد (overloaded) به هر سرور منفردی جلوگیری شود. این توزیع بر اساس عواملی مانند بار فعلی، ظرفیت گره یا قوانین از پیش تعریف شده صورت میگیرد.
توزیع مؤثر وظایف عملکرد کلی و زمان پاسخگویی را بهبود میبخشد.
پایداری نشست (Session Persistence)
برخی از برنامهها نیاز دارند که نشستهای کاربر (user sessions) برای مدت زمان تعاملشان روی همان گره باقی بمانند. سازوکارهای توازن بار، پایداری نشست را حفظ میکنند، که درخواستهای تکراری از یک کلاینت را به همان گره هدایت میکند، در حالی که ترافیک دیگر همچنان در سراسر خوشه متوازن میشود.
این رویکرد رفتار سازگار برنامه را تضمین میکند و از مشکلاتی مانند از دست رفتن دادههای نشست یا تراکنشهای قطع شده جلوگیری مینماید.
مقیاسپذیری پویا (Dynamic Scaling)
خوشهها میتوانند با افزودن گرههای جدید برای مدیریت بارهای کاری افزایش یافته، به صورت افقی مقیاس (scale horizontally) شوند. توازن بار به طور خودکار گرههای جدید را در الگوریتم توزیع ادغام میکند و به سیستم اجازه میدهد ظرفیت خود را بدون از کار افتادگی یا مداخله دستی گسترش دهد.
این فرآیند خوشه را قادر میسازد تا با الگوهای ترافیکی در حال تغییر سازگار شود و عملکرد را در طول اوج مصرف حفظ نماید.
نظارت بر سلامت (Health Monitoring)
توازن بار به نظارت مستمر بر سلامت و عملکرد گره متکی است. گرههایی که پاسخگو نیستند (unresponsive) یا عملکرد پایینی دارند، به طور موقت از استخر حذف میشوند تا زمانی که بازیابی شوند.
این رویکرد تضمین میکند که بارهای کاری فقط به گرههای کاملاً عملیاتی اختصاص داده میشوند و عملکرد و قابلیت اطمینان حفظ میگردد.
مزایای خوشهبندی سرور (Server Clustering Benefits)
خوشههای سرور سازمانها را قادر میسازند تا قابلیت اطمینان (reliability)، عملکرد (performance) و مقیاسپذیری (scalability) برنامههای حیاتی خود را بهبود بخشند. با هماهنگسازی چندین سرور، خوشهها تضمین میکنند که بارهای کاری به طور مؤثر توزیع میشوند و خدمات حتی تحت تقاضای بالا یا خرابیهای سختافزاری در دسترس باقی میمانند.
مزایای اصلی استفاده از کلاستر (خوشه) سرورها:
- در دسترس بودن بالا (High availability): کلاسترها تضمین میکنند که برنامهها و سرویسها حتی در صورت از کار افتادن یک یا چند سرور، عملیاتی باقی بمانند.
- عملکرد بهبود یافته (Improved performance): بارهای کاری در میان چندین نود (گره) توزیع میشوند، که به این ترتیب تنگناهای گلوگاهی کاهش یافته و زمان پاسخگویی افزایش مییابد.
- قابلیت مقیاسپذیری (Scalability): میتوان نودهای اضافی را به کلاستر اضافه کرد تا ترافیک یا تقاضاهای پردازشی افزایش یافته را بدون توقف در کار، مدیریت کند.
- بهینهسازی منابع (Resource optimization): کلاسترها امکان استفاده بهتر از CPU، حافظه (memory) و فضای ذخیرهسازی را با تجمیع منابع در چندین سرور فراهم میآورند.
- پشتیبانی از بازیابی بلایا (Disaster recovery support): کلاسترینگ، قابلیتهای افزونگی (redundancy) و انتقال خودکار بار کاری در صورت شکست (failover) را فراهم میکند که برای به حداقل رساندن تأثیر خرابیهای سختافزاری یا نرمافزاری حیاتی هستند.
- انعطافپذیری برای بارهای کاری متنوع (Flexibility for diverse workloads): کلاسترها میتوانند به طور همزمان از پایگاههای داده، ماشینهای مجازی، برنامههای وب و محیطهای کانتینری پشتیبانی کنند.
چالشهای کلاسترینگ سرورها
در حالی که کلاسترهای سرور مزایای قابل توجهی را از نظر در دسترس بودن، عملکرد و مقیاسپذیری ارائه میدهند، پیچیدگیهایی را نیز معرفی میکنند که سازمانها باید آنها را مدیریت کنند.
پیادهسازی و نگهداری یک کلاستر نیاز به برنامهریزی دقیق، دانش تخصصی و نظارت مستمر دارد تا از عملکرد بهینه اطمینان حاصل شود.
چالشهای رایج مرتبط با خوشهبندی سرور ⚠️
فهرست زیر، چالشهای رایج مرتبط با خوشهبندی سرور (server clustering) را برجسته میکند:
- پیچیدگی پیکربندی و مدیریت. راهاندازی یک خوشه نیازمند برنامهریزی دقیق و دانش تخصصی برای پیکربندی صحیح گرهها، شبکهبندی و سازوکارهای تحمل خطا است.
- هزینههای بالاتر. خوشهها اغلب به سختافزار، مجوز و نگهداری اضافی نیاز دارند که هزینههای زیرساخت و عملیاتی را افزایش میدهد.
- استفاده نامتوازن از منابع. توازن بار نامناسب یا گرههای بد پیکربندی شده باعث میشود که برخی سرورها بیش از حد کار کنند در حالی که برخی دیگر کم استفاده باقی میمانند و در نتیجه عملکرد کلی کاهش مییابد.
- وابستگی به شبکه. عملکرد خوشه به ارتباط سریع و قابل اعتماد شبکه متکی است. خرابیهای شبکه بر دسترسپذیری تأثیر میگذارد و باعث سناریوهای تجزیه مغزی (split-brain) میشود.
- مشکلات سازگاری نرمافزاری. همه برنامهها یا سرویسها با خوشه سازگار نیستند، که توانایی استفاده کامل از قابلیتهای خوشهبندی را محدود میکند.
- سربار نظارت و نگهداری. نظارت مستمر، وصلهکاری (patching) و آزمایش برای اطمینان از عملکرد صحیح گرهها و نرمافزار خوشهبندی مورد نیاز است.
نتیجهگیری
این آموزش توضیح داد که خوشه سرور چیست و چگونه کار میکند. همچنین به تشریح فناوریهای مختلف خوشهبندی سرور، موارد استفاده و انواع خوشههای سرور پرداخت. ما همچنین رایجترین مزایا و چالشهای مرتبط با خوشهبندی سرور را تشریح کردیم.
