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2013年11月16日 星期六

幫你的雲端服務打造一個穩固的地基

作者:陳柏鍠 / 計算機及資訊網路中心作業管理組幹事

大量的資料及服務不斷湧向雲端的同時,也不斷的在考驗雲端的穩定度。本文主要敘述在建置資訊系統時,從伺服器、網路、Storage及虛擬化的角度去思考並規劃具備高可用性(HA)的架構,增加系統的穩定度及彈性。
身在雲端時代,大幅更改了過去的經驗,眾多主機可以虛擬化到一台機器,還可以處理大量的檔案上傳,各種服務的佈署也更加快速,其實這些都考驗著雲端服務提供者的「系統穩定度」。由於跑在「雲」上頭的服務日趨重要,所以在建置的時候,也要考量到如何在各個關節去加強並預防災難的發生。本文便是以基礎環境建設的角度下,去討論各項雲端服務之高可用性如何達成,期能打造一個飛得很穩當的雲。
高可用性(High Availability)的目的為減少因為各種因素造成服務中斷的現象。在大部的情形下,也就是希望能在單點故障(Single Point Of Failure)時,整個系統還可以運作下去。以資訊服務的基礎建設來說,要達成HA的目標,大致可從以下範圍著手:
  • 伺服器
  • Storage
  • 網路
  • 虛擬化及容錯移轉叢集
伺服器以目前主流的Server來說,大部份還是購買機架式的1U及2U為主(1U為4.445公分高),其實這兩者只差在擴充性,比較表格如下:
項次
1 U Server
2U Server
CPU
最大兩顆
最大兩顆
硬碟
8 * 2.5
16 * 2.5
記憶體
24個插槽
24個插槽
擴充插槽
2 * PCIe
6* PCIe
Power
支援雙Power
支援雙Power
表一、伺服器比較
其實要買哪一種,依照單位的需求來採買就好。一般來說,考慮到避免單點故障,因此建議電源供應器一定要裝兩個。如果貴單位的電力系統有兩條迴路,也建議可以分接在兩個電源供應器上,避免單條迴路損壞導致伺服器停擺。另外,在乙太網路卡方面,雖然預設已有2到4個連接埠,但實體還是從同一張卡出去,乙太網路卡的價位目前不算太高,建議最好另外擴充一張網路卡,並且將不同功能的線路分散在兩張網路卡上,這部分在網路部分會詳述。
StorageStorage為每個雲端服務的命脈,非常的重要,也建議一定要做到高可用性。一般要做到高可用性,最常見的做法就是買有雙控制器(Controller)的機型,並且要將線路分別接在兩個Controller上,設定MPIO(Multipath I/O),才可在其中一個Controller發生單點故障時自動切換到第二個Controller繼續運作,也要確保Storage具有雙電源供應器的配置。如同前述,建議要將兩個Power接在不同的迴路上以確保電源供應無虞。
但如果有一天,資料不夠放,或是Storage老舊換新,需要停機時間搬資料,就會變得很麻煩。更難保哪天整櫃Storage都掛了,直接停擺給您看,這也不是沒有可能的。但是一旦發生了,Storage裡面存放的資料幾乎都是非常重要的,停機的時間和損失的金錢是無法估算的,這也說明了Storage作HA的重要性。有個解決方式,就是把一樣的資料存到兩個Storage去,這樣單台要停機維護,或是單點故障時都可以讓服務不中斷。聽起來是預算非常高的單位才有辦法作到,但考量到資料如果非常重要的話,還是可以針對重點去建置。目前市面上有軟體跟硬體的解決方案都可以作到 Storage的HA,甚至還有一些附加功能(Storage虛擬化、利用Cache加速、連續資料保護(CDP)、快照(Snapshot)等),可以依照需求去挑選適合的解決方案。
在線路方面,不論您是用iSCSI或是Fiber Channel(FC)的介面,也是有一些可以努力做到高可用性的地方,本文會以FC來當例子,以下圖來解釋

圖一、 Storage高可用性架構
 
本架構是將前端(Server)跟後端(Storage)以SAN Switch切開。也就是上圖的Front End及Back End,中間用Storage Service Server作連結統整後方的Storage以提供前方的Server使用。具備兩台,中間會隨時同步確保資料正常。前端的每一台Server會各有一條光纖線連接至Front End 的SAN Switch,後端的Storage視頻寬而定要使用幾個光纖接頭至Back End的SAN Switch (比較新的Storage Controller至少會有兩個光纖接頭)。此架構的優點列舉如下:
  • 線路連結整齊,伺服器端與Storage端分類清楚。
  • 容錯程度高,可容許光纖線、SAN Switch、整櫃Storage損壞皆不會中斷儲存服務。
  • 日後維護Storage設備不會有Downtime,也方便作資料轉移或Storage升級或擴充。
有人會有疑問,SAN Switch一次配置四台費用不會過高嗎? 其實SAN Switch比較特別,以本案使用的48 Port SAN Switch為例,雖然買來有48個連接埠,但初始只有16個可以使用,其他連接埠要使用需要購買License,與其花錢擴充還不如再買一台新的,在考量高可用性還有日後的擴充及管理,才會設計出此架構。
網路網路的部份為雲端服務最重點的基礎建設之一。因為流量的大幅增加,還有各式各樣的需求,都讓網路規劃變得非常的關鍵,以下會以臺大建置一個Hyper-V Cluster的例子來說明怎麼作到網路的高可用性:
建置說明:由於業務需要,計資中心需要新建容錯移轉叢集(Cluster)以提供虛擬機器服務,由於此機器上面運作的虛擬機器都非常重要,種類有AD服務,Exchange服務,Web服務等,不僅對外頻寬要足夠,還有即時移轉的需求(Live Migration)。
初期的準備項目如下:
Server
機架式1U主機四台
OS
Windows Server 2012 Datacenter
網路卡
每台預設有4 Port (1Gb)乙太網卡,額外擴充一張4 Port(1Gb)乙太網卡,合計共8 Port
網路配置
Access * 2
Live Migration + Heartbeat * 2
CSV Network * 2
Manage + Backup * 2
表二、建置Cluster前置規劃
  • 註1:Access為提供虛擬機器對外連線用
    Live Migration:為虛擬機器在實體機器間移動所需連線
    Heartbeat:容錯移轉叢集主機間互相溝通之線路
    CSV Network:連結CSV(Cluster Shared Volumes)的專用線路
    Manage:管理專用的線路
    Backup:備份VM用線路
  • 註2:每種網路皆有兩條,目的為Teaming起來可以增加頻寬,又有兩條實體線路可互為備援。
 

圖2、 網路高可用性架構
 
如圖所示,以上的網路配置,若有單張網路卡故障,單條線路損壞,單台Switch故障,單台防火牆故障,皆可以因為高可用性的關係,服務不中斷。由於網路線故障的機率比其他裝置高,所以請務必用專業廠商製造的CAT6網路線,可以的話要以顏色區分並加上套環,方便辨認。
 

圖3、 網路線比較
 
虛擬化及容錯移轉叢集:
伺服器虛擬化可以降低實體機器數量,並快速的佈署新機器及增減運算資源,現在主要的產品包括VMWare 及Hyper-V,兩者在最新的版本上皆進步許多,不論是實體機器或是虛擬機器的性能都提升許多,如下表所示:

Hyper-V 3.0
vSphere 5.1
實體主機
邏輯處理器數量
320
256
最大記憶體容量
4TB
2TB
虛擬CPU最大數量
2048
2048
可同時執行VM
1024
512
虛擬機器
虛擬CPU最大數量
64
64
記憶體最大容量
1TB
1TB
虛擬磁碟大小
64TB
2TB
容錯移轉叢集
Cluster
同時執行主機數量
64
32
同時執行VM
4000
4000
表三、虛擬化產品比較
 
如果您已經決定要進行虛擬化,甚至要建置容錯移轉叢集,不管是何平台,皆要注意以下幾點:
(1) 各項硬體之韌體及驅動程式建置前需更新
由於建置叢集後,要做這件事會變得很麻煩,所以要趁建置前檢查一下,可以的話盡量更新最新的穩定版驅動程式或韌體。
(2) 網路架構要注意分流及HA
以虛擬機器移轉來說,要耗用大量的網路流量,單條1Gb線路可能不夠,這時建議要用兩條線路進行Teaming,互為備援並增加流量;另外備份的流量強烈建議要獨立開來,才可避免備份時的大量流量影響到虛擬機器。現在已經可以考慮採用10Gb線路,以應付日益俱增的備份需求,那如果貴單位的網路線路不夠多,卻想要使用容錯移轉叢集呢?也不是沒有辦法的,假使只有兩條1Gb的線路,也是可以做到HA的,就是用QoS方式來限制各種網路流量的上限[1]。如此叢集還是可以運作,只是網路高峰時速度稍微慢一點,並且此兩條線路也具備互相備援的功能。
(3) 連結Storage部份務必要設定MPIO
由於CPU及記憶體運作速度都很快,因此虛擬機器的效能大部分就決定在Storage。而叢集的命脈更是取決於共用磁碟區的健康,設定線路時請盡量以MPIO方式連接,並且要注意要各接在不同的Controller上。因為光纖線時間一久容易老化,您可不希望哪天只是因為線壞掉或更換線路,導致叢集上面的虛擬機器全部掛點吧!
(4) Hyper-V 容錯移轉叢集的AD要保持健康
建置Hyper-V 容錯移轉叢集一定要透過AD,在此架構下,所有實體機器間的互相溝通,還有與共用磁碟區間的連接,都仰賴AD,要是AD壞掉,您就會發現您的叢集也會廢掉一身武功,因此AD一定要兩台以上,以作為備援。如果您是因為要建新叢集所以要順便建新AD,也建議不要把AD的虛擬硬碟放在共用磁碟區上,最好放在實體主機的本機硬碟裡(所以AD虛擬機器不可以加入容錯移轉叢集的角色),原因是如果有一天您無法連結到某一個共用磁碟區,剛好AD 的VM放在這個共用磁碟區裡,結果AD死掉,造成Cluster Crash,回復起來會很麻煩。
(5) VMWare的vCenter要考慮高可用性
vCenter是VMWare裡面最重要的角色之一,如果裝在實體機器上,萬一實體機器出現單點故障,就只能連進每一台ESXi Server進行管理,也無法作即時移轉(vMotion),因此建議把vCenter裝在虛擬機器上,這樣單台實體機器故障時,才可以在叢集裡移轉,確保服務正常。
 
結語以上為筆者這幾年的經驗累積,也許還有不足的地方,但是實務經驗上,若在建置的每個細節都考慮到高可用性,實際運作時系統就會更穩定,在找尋問題的時候也會更快速,願大家的系統都永遠健康!
參考資料[1] "Windows Server 2012 Hyper-V Best Practices (TechNet Blogs." 4 Jun. 2013http://blogs.technet.com/b/askpfeplat/archive/2013/03/10/windows-server-2012-hyper-v-best-practices-in-easy-checklist-form.aspx