Горизонтальная масштабируемость. Горизонтальное масштабирование. Что, зачем, когда и как? Программное обеспечение фронт-энда

Масштабируемость - такое свойство вычислительной системы, которое обеспечивает предсказуемый рост системных характеристик, например, числа поддерживаемых пользователей, быстроты реакции, общей производительности и пр., при добавлении к ней вычислительных ресурсов. В случае сервера СУБД можно рассматривать два способа масштабирования - вертикальный и горизонтальный (рис. 2).

При горизонтальном масштабировании увеличивается число серверов СУБД, возможно, взаимодействующих друг с другом в прозрачном режиме, разделяя таким образом общую загрузку системы. Такое решение, видимо, будет все более популярным с ростом поддержки слабосвязанных архитектур и распределенных баз данных, однако обычно оно характеризуется сложным администрированием.

Вертикальное масштабирование подразумевает увеличение мощности отдельного сервера СУБД и достигается заменой аппаратного обеспечения (процессора, дисков) на более быстродействующее или добавлением дополнительных узлов. Хорошим примером может служить увеличение числа процессоров в симметричных многопроцессорных (SMP) платформах. При этом программное обеспечение сервера не должно изменяться (в частности, нельзя требовать закупки дополнительных модулей), так как это увеличило бы сложность администрирования и ухудшило предсказуемость поведения системы. Независимо от того, какой способ масштабирования использован, выигрыш определяется тем, насколько полно программы сервера используют доступные вычислительные ресурсы. В дальнейших оценках мы будем рассматривать вертикальное масштабирование, испытывающее, по мнению аналитиков, наибольший рост на современном компьютерном рынке.

Свойство масштабируемости актуально по двум основным причинам. Прежде всего, условия современного бизнеса меняются столь быстро, что делают невозможным долгосрочное планирование, требующее всестороннего и продолжительного анализа уже устаревших данных, даже для тех организаций, которые способны это себе позволить. Взамен приходит стратегия постепенного, шаг за шагом, наращивания мощности информационных систем. С другой стороны, изменения в технологии приводят к появлению все новых решений и снижению цен на аппаратное обеспечение, что потенциально делает архитектуру информационных систем более гибкой. Одновременно расширяется межоперабельность, открытость программных и аппаратных продуктов разных производителей, хотя пока их усилия, направленные на соответствие стандартам, согласованы лишь в узких секторах рынка. Без учета этих факторов потребитель не сможет воспользоваться преимуществами новых технологий, не замораживая средств, вложенных в недостаточно открытые или оказавшиеся бесперспективными технологии. В области хранения и обработки данных это требует, чтобы и СУБД, и сервер были масштабируемы. Сегодня ключевыми параметрами масштабируемости являются:

• поддержка многопроцессорной обработки;
• гибкость архитектуры.

Многопроцессорные системы

Для вертикального масштабирования все чаще используются симметричные многопроцессорные системы (SMP), поскольку в этом случае не требуется смены платформы, т.е. операционной системы, аппаратного обеспечения, а также навыков администрирования. С этой целью возможно также применение систем с массовым параллелизмом (MPP), но пока их использование ограничивается специальными задачами, например, расчетными. При оценке сервера СУБД с параллельной архитектурой целесообразно обратить внимание на две основные характеристики расширяемости архитектуры: адекватности и прозрачности.

Свойство адекватности требует, чтобы архитектура сервера равно поддерживала один или десять процессоров без переустановки или существенных изменений в конфигурации, а также дополнительных программных модулей. Такая архитектура будет одинаково полезна и эффективна и в однопроцессорной системе, и, по мере роста сложности решаемых задач, на нескольких или даже на множестве (MPP) процессоров. В общем случае потребитель не должен дополнительно покупать и осваивать новые опции программного обеспечения.

Обеспечение прозрачности архитектуры сервера, в свою очередь, позволяет скрыть изменения конфигурации аппаратного обеспечения от приложений, т.е. гарантирует переносимость прикладных программных систем. В частности, в сильно связанных многопроцессорных архитектурах приложение может взаимодействовать с сервером через сегмент разделяемой памяти, тогда как при использовании слабосвязанных многосерверных систем (кластеров) для этой цели может быть применен механизм сообщений. Приложение не должно учитывать возможности реализации аппаратной архитектуры - способы манипулирования данными и программный интерфейс доступа к базе данных обязаны оставаться одинаковыми и в равной степени эффективными.

Качественная поддержка многопроцессорной обработки требует от сервера баз данных способности самостоятельно планировать выполнение множества обслуживаемых запросов, что обеспечило бы наиболее полное разделение доступных вычислительных ресурсов между задачами сервера. Запросы могут обрабатываться последовательно несколькими задачами или разделяться на подзадачи, которые, в свою очередь, могут быть выполнены параллельно (рис. 3). Последнее более оптимально, поскольку правильная реализация этого механизма обеспечивает выгоды, независимые от типов запросов и приложений. На эффективность обработки огромное воздействие оказывает уровень гранулярности рассматриваемых задачей-планировщиком операций. При грубой гранулярности, например, на уровне отдельных SQL-запросов, разделение ресурсов вычислительной системы (процессоров, памяти, дисков) не будет оптимальным - задача будет простаивать, ожидая окончания необходимых для завершения SQL-запроса операций ввода/вывода, хотя бы в очереди к ней стояли другие запросы, требующие значительной вычислительной работы. При более тонкой гранулярности разделение ресурсов происходит даже внутри одного SQL-запроса, что еще нагляднее проявляется при параллельной обработке нескольких запросов. Применение планировщика обеспечивает привлечение больших ресурсов системы к решению собственно задач обслуживания базы данных и минимизирует простои.

Гибкость архитектуры

Независимо от степени мобильности, поддержки стандартов, параллелизма и других полезных качеств, производительность СУБД, имеющей ощутимые встроенные архитектурные ограничения, не может наращиваться свободно. Наличие документированных или практических ограничений на число и размеры объектов базы данных и буферов памяти, количество одновременных подключений, на глубину рекурсии вызова процедур и подчиненных запросов (subqueries) или срабатывания триггеров базы данных является таким же ограничением применимости СУБД как, например, невозможность переноса на несколько вычислительных платформ. Параметры, ограничивающие сложность запросов к базе данных, в особенности размеры динамических буферов и стека для рекурсивных вызовов, должны настраиваться в динамике и не требовать остановки системы для реконфигурации. Нет смысла покупать новый мощный сервер, если ожидания не могут быть удовлетворены из-за внутренних ограничений СУБД.

Обычно узким местом является невозможность динамической подстройки характеристик программ сервера баз данных. Способность на ходу определять такие параметры, как объем потребляемой памяти, число занятых процессоров, количество параллельных потоков выполнения заданий (будь то настоящие потоки (threads), процессы операционной системы или виртуальные процессоры) и количество фрагментов таблиц и индексов баз данных, а также их распределение по физическим дискам БЕЗ останова и перезапуска системы является требованием, вытекающим из сути современных приложений. В идеальном варианте каждый из этих параметров можно было бы изменить динамически в заданных для конкретного пользователя пределах.

Представим, что мы сделали сайт. Процесс был увлекательным и очень приятно наблюдать, как увеличивается число посетителей.

Но в какой-то момент, траффик начинает расти очень медленно, кто-то опубликовал ссылку на ваше приложение в Reddit или Hacker News , что-то случилось с исходниками проекта на GitHub и вообще, все стало как будто против вас.

Ко всему прочему, ваш сервер упал и не выдерживает постоянно растущей нагрузки. Вместо приобретения новых клиентов и/или постоянных посетителей, вы остались у разбитого корыта и, к тому же, с пустой страничкой.

Все ваши усилия по возобновлению работы безрезультатны – даже после перезагрузки, сервер не может справиться с потоком посетителей. Вы теряете трафик!

Никто не может предвидеть проблемы с трафиком. Очень немногие занимаются долгосрочным планированием, когда работают над потенциально высокодоходным проектом, чтобы уложиться в фиксированные сроки.

Как же тогда избежать всех этих проблем? Для этого нужно решить два вопроса: оптимизация и масштабирование .

Оптимизация

Первым делом, стоит провести обновление до последней версии PHP (текущая версия 5.5, использует OpCache ), проиндексировать базу данных и закэшировать статический контент (редко изменяющиеся страницы вроде About , FAQ и так далее).

Оптимизация затрагивает не только кэширование статических ресурсов. Также, есть возможность установить дополнительный не-Apache-сервер (например, Nginx ), специально предназначенный для обработки статического контента.

Идея заключается в следующем: вы помещаете Nginx перед вашим Apache-сервером (Ngiz будет frontend -сервером, а Apache — backend ), и поручаете ему, перехват запросов на статические ресурсы (т.е. *.jpg , *.png , *.mp4 , *.html …) и их обслуживание БЕЗ ОТПРАВЛЕНИЯ запроса на Apache.

Такая схема называется reverse proxy (её часто упоминают вместе с техникой балансировки нагрузки, о которой рассказано ниже).

Масштабирование

Существует два типа масштабирования – горизонтальное и вертикальное .

Мы говорим, что сайт масштабируем, когда он может выдерживать увеличение нагрузки без необходимости внесения изменений в программное обеспечение.

Вертикальное масштабирование

Представьте, что у вас имеется веб-сервер, обслуживающий веб-приложение. Этот сервер имеет следующие характеристики 4GB RAM , i5 CPU и 1TB HDD .

Он хорошо выполняет возложенные на него задачи, но чтобы лучше справляться с нарастающим трафиком, вы решаете заменить 4GB RAM на 16GB, устанавливаете новый i7 CPU и добавляете гибридный носитель PCIe SSD/HDD .

Сервер теперь стал более мощным и может выдерживать увеличенные нагрузки. Именно это и называется вертикальным масштабированием или «масштабированием вглубь » – вы улучшаете характеристики машины, чтобы сделать её более мощной.

Это хорошо проиллюстрировано на изображении ниже:

Горизонтальное масштабирование

С другой стороны, мы имеем возможность произвести горизонтальное масштабирование. В примере, приведенном выше, стоимость обновления железа едва ли будет меньше стоимости первоначальных затрат на приобретение серверного компьютера.

Это очень финансово затратно и часто не дает того эффекта, который мы ожидаем – большинство проблем масштабирования относятся к параллельному выполнению задач.

Если количества ядер процессора недостаточно для выполнения имеющихся потоков, то не имеет значения, насколько мощный установлен CPU – сервер все равно будет работать медленно, и заставит посетителей ждать.

Горизонтальное масштабирование подразумевает построение кластеров из машин (часто достаточно маломощных), связанных вместе для обслуживания веб-сайта.

В данном случае, используется балансировщик нагрузки (load balancer ) – машина или программа, которая занимается тем, что определяет, какому кластеру следует отправить очередной поступивший запрос.

А машины в кластере автоматически разделяют задачу между собой. В этом случае, пропускная способность вашего сайта возрастает на порядок по сравнению с вертикальным масштабированием. Это также известно как «масштабирование вширь ».

Есть два типа балансировщиков нагрузки – аппаратные и программные . Программный балансировщик устанавливается на обычную машину и принимает весь входящий трафик, перенаправляя его в соответствующий обработчик. В качестве программного балансировщика нагрузки, может выступить, например, Nginx .

Он принимает запросы на статические файлы и самостоятельно их обслуживает, не обременяя этим Apache. Другим популярным программным обеспечением для программной балансировки является Squid , который я использую в своей компании. Он предоставляет полный контроль над всеми возможными вопросами посредством очень дружественного интерфейса.

Аппаратные балансировщики представляет собой отдельную специальную машину, которая выполняет исключительно задачу балансировки и на которой, как правило, не установленного другого программного обеспечения. Наиболее популярные модели разработаны для обработки огромного количества трафика.

При горизонтальном масштабировании происходит следующее:

Заметьте, что два описанных способа масштабирования не являются взаимоисключающими – вы можете улучшать аппаратные характеристики машин (также называемых нодами — node ), используемых в масштабированной вширь кластерной системе.

В данной статье мы сфокусируемся на горизонтальном масштабировании, так как в большинстве случаев оно предпочтительнее (дешевле и эффективнее), хотя его и труднее реализовать с технической точки зрения.

Сложности с разделением данных

Имеется несколько скользких моментов, возникающих при масштабировании PHP-приложений. Узким местом здесь является база данных (мы еще поговорим об этом во второй части данного цикла).

Также, проблемы возникают с управлением данными сессий, так как залогинившись на одной машине, вы окажетесь неавторизованным, если балансировщик при следующем вашем запросе перебросит вас на другой компьютер. Есть несколько способов решения данной проблемы – можно передавать локальные данные между машинами, либо использовать постоянный балансировщик нагрузки.

Постоянный балансировщик нагрузки

Постоянный балансировщик нагрузки запоминает, где обрабатывался предыдущий запрос того или иного клиента и, при следующем запросе, отправляет запрос туда же.

Например, если я посещал наш сайт и залогинился там, то балансировщик нагрузки перенаправляет меня, скажем, на Server1 , запоминает меня там, и при следующем клике, я вновь буду перенаправлен на Server1 . Все это происходит для меня совершенно прозрачно.

Но что, если Server1 упал? Естественно, все данные сессии будут утеряны, а мне придется логиниться заново уже на новом сервере. Это очень неприятно для пользователя. Более того, это лишняя нагрузка на балансировщик нагрузки: ему нужно будет не только перенаправить тысячи людей на другие сервера, но и запомнить, куда он их перенаправил.

Это становится еще одним узким местом. А что, если единственный балансировщик нагрузки сам выйдет из строя и вся информации о расположении клиентов на серверах будет утеряна? Кто будет управлять балансировкой? Замысловатая ситуация, не правда ли?

Разделение локальных данных

Разделение данных о сессиях внутри кластера определенно кажется неплохим решением, но требует изменений в архитектуре приложения, хотя это того стоит, потому что узкое место становится широким. Падение одного сервера перестает фатально влиять на всю систему.

Известно, что данные сессии хранятся в суперглобальном PHP-массиве $_SESSION . Также, ни для кого не секрет, что этот массив $_SESSION хранится на жестком диске.

Соответственно, так как диск принадлежит той или иной машине, то другие к нему доступа не имеют. Тогда как же организовать к нему общий доступ для нескольких компьютеров?

Замечу, что обработчики сессий в PHP могут быть переопределены – вы можете определить свой собственный класс/функцию для управления сессиями.

Использование базы данных

Используя собственный обработчик сессий, мы можем быть уверены, что вся информация о сессиях хранится в базе данных. База данных должна находиться на отдельном сервере (или в собственном кластере). В таком случае, равномерно нагруженные сервера, будут заниматься только обработкой бизнес-логики.

Хотя данный подход работает достаточно хорошо, в случае большого трафика, база данных становится не просто уязвимым местом (потеряв её, вы потеряете все), к ней будет много обращений из-за необходимости записывать и считывать данные сессий.

Это становится очередным узким местом в нашей системе. В этом случае, можно применить масштабирование вширь, что проблематично при использовании традиционных баз данных типа MySQL , Postgre и тому подобных (эта проблема будет раскрыта во второй части цикла).

Использование общей файловой системы

Можно настроить сетевую файловую систему, к которой будут обращаться все серверы, и работать с данными сессий. Так делать не стоит. Это совершенно неэффективный подход, при котором велика вероятность потери данных, к тому же, все это работает очень медленно.

Это еще одна потенциальная опасность, даже более опасная, чем в случае с базой данных, описанном выше. Активация общей файловой системы очень проста: смените значение session.save_path в файле php.ini , но категорически рекомендуется использовать другой способ.

Если вы все-таки хотите реализовать вариант с общей файловой системой, то есть гораздо более лучшее решение — GlusterFS .

Memcached

Вы можете использовать memcached для хранения данных сессий в оперативной памяти. Это очень небезопасный способ, так как данные сессий будут перезаписаны, как только закончится свободное дисковое пространство.

Какое-либо постоянство отсутствует – данные о входе будут храниться до тех пор, пока memcached -сервер запущен и имеется свободное пространство для хранения этих данных.

Вы можете быть удивлены – разве оперативная память не отдельна для каждой машины? Как применить данный способ к кластеру? Memcached имеет возможность виртуально объединять всю доступную RAM нескольких машин в единое хранилище:

Чем больше машин у вас в наличии, тем больше будет размер созданного общего хранилища. Вам не нужно вручную распределять память внутри хранилища, однако вы можете управлять этим процессом, указывая, какое количество памяти можно выделить от каждой машины для создания общего пространства.

Таким образом, необходимое количество памяти остается в распоряжении компьютеров для собственных нужд. Остальная же часть используется для хранения данных сессий всего кластера.

В кэш, помимо сессий могут попадать и любые другие данные по вашему желанию, главное чтобы хватило свободного места. Memcached это прекрасное решение, которое получило широкое распространение.

Использовать этот способ в PHP-приложениях очень легко: нужно изменить значение в файле php.ini :

session.save_handler = memcache session.save_path = "tcp://path.to.memcached.server:port"

Redis Cluster

Redis это не SQL хранилище данных, расположенное в оперативной памяти, подобно Memcached , однако оно имеет постоянство и поддерживает более сложные типы данных, чем просто строки PHP-массива в форме пар «key => value ».

Это решение не имеет поддержки кластеров, поэтому реализация его в горизонтальной системе масштабирования не так проста, как может показаться на первый взгляд, но вполне выполняема. На самом деле, альфа-версия кластерной версии уже вышла и можно её использовать.

Если сравнивать Redis с решениями вроде Memcached , то он представляет собой нечто среднее между обычной базой данных и Memcached .

Модель доверенная подсистема (или доверенный сервер)

В некоторых ситуациях может потребоваться более одного доверенного удостоверения, например, при наличии двух групп пользователей, одна из которых должна быть авторизована на осуществление операций чтения/записи, а другая – только операций чтения. Использование множества доверенных удостоверений сервиса обеспечивает возможность более детального контроля доступа к ресурсам и аудита без особого влияния на масштабируемость. На рис. 14 показана модель с применением множества доверенных удостоверений сервиса.

Модель с применением множества доверенных удостоверений сервиса

Вертикальное и горизонтальное масштабирование

Подход к реализации масштабирования является критически важным аспектом проектирования. Независимо от того, планируется ли выполнять горизонтальное

масштабирование решения с помощью кластера с балансировкой нагрузки или секционированной базы данных, дизайн должен обеспечивать поддержку выбранной опции. Существует два основных типа масштабирования: вертикальное (большой блок) и

горизонтальное (больше блоков).

При вертикальном масштабировании поддержка повышенной нагрузки обеспечивается через введение в существующие серверы дополнительного оборудования, такого как процессоры, оперативная память и сетевые интерфейсные платы (network interface cards, NIC). Такой простой вариант не добавляет затрат на обслуживание и поддержку, но может быть экономически выгодным лишь до определенного момента. Однако всегда сохраняется вероятность сбоя, что является риском. Кроме того, введение дополнительного оборудования в существующие серверы обеспечивает желаемые результаты не бесконечно, и получение последних 10% расчетной производительности путем наращивания мощностей одного компьютера может быть очень дорогим удовольствием.

Эффективного вертикального масштабирования приложения можно добиться лишь при условии соответствующего вертикального масштабирования базовой инфраструктуры, среды выполнения и архитектуры компьютера. Продумайте, какие ресурсы ограничивают производительность приложения. Например, если это связано с нехваткой памяти или низкой пропускной способностью сети, добавление процессоров ничего не даст.

При горизонтальном масштабировании добавляется больше серверов и используются решения с балансировкой нагрузки и кластеризацией. Кроме возможности обработки большей нагрузки, горизонтальное масштабирование смягчает последствия сбоев оборудования. Если один из серверов выходит из строя, другие серверы кластера берут на себя его нагрузку. Например, уровень представления и бизнес-уровень приложения могут размещаться на нескольких Веб-серверах с балансировкой нагрузки, образующих Веб-ферму. Или можно физически отделить бизнес-логику приложения и использовать для нее отдельный средний уровень с балансировкой нагрузки, но при этом размещать уровень представления на внешнем уровне с балансировкой нагрузки. Если приложение имеет ограничения по вводу/выводу и должно поддерживать очень большую базу данных, ее можно распределить по нескольким серверам баз данных. Как правило, способность приложения масштабироваться горизонтально больше зависит от его архитектуры, чем от базовой инфраструктуры.

Вопросы вертикального масштабирования

Вертикальное масштабирование через повышение мощности процессора и увеличение объема памяти может быть экономически эффективным решением. Также при таком подходе не возникает необходимости в дополнительных затратах на управление, как с горизонтальным масштабированием в связи с применением Веб-ферм и кластеризации. Прежде всего, следует рассмотреть варианты вертикального масштабирования и провести тестирование производительности, чтобы убедиться в том, что вертикальное масштабирование решения соответствует заданному критерию масштабирования и обеспечивает приемлемый уровень производительности для требуемого числа одновременно работающих пользователей. Необходимо выработать план масштабирования для системы, который будет отражать перспективы ее роста.

Проектирование с поддержкой горизонтального масштабирования

Если вертикальное масштабирование решения не обеспечивает требуемой масштабирумости из-за достижения предельных показателей для процессора, подсистемы ввода/вывода или памяти, необходимо выполнять горизонтальное масштабирование и вводить дополнительные серверы. Для обеспечения эффективного горизонтального масштабирования приложения при проектировании пользуйтесь следующими практиками:

Узкие места идентификации и горизонтального масштабирования. Часто узким местом являются совместно используемые плохо масштабируемые в вертикальном направлении ресурсы. Например, имеется единственный экземпляр SQL Server, с которым работают множество серверов приложений. В этом случае разделение данных таким образом, чтобы они могли обслуживаться несколькими экземплярами SQL Server, обеспечит возможность горизонтального масштабирования решения. Если существует вероятность того, что узким местом станет сервер базы данных, предусмотрите секционирование данных при проектировании, это избавит от многих проблем в будущем.

Слабо связанный и многослойный дизайн. Слабо связанный многослойный дизайн с четкими интерфейсами, которые могут использоваться удаленно, проще масштабировать горизонтально, чем дизайн, использующий тесно связанные слои с детализированными интерфейсами. Многослойный дизайн будет иметь естественные точки разделения, что делает его идеальным для горизонтального масштабирования в границах уровней. Главное, правильно определить границы. Например, бизнес-логику проще перенести в ферму серверов приложений среднего уровня с балансировкой нагрузки.

Компромиссы и последствия их принятия

Следует учесть аспекты масштабируемости, которые могут быть разными для разных слоев, уровней или типов данных. Выявление необходимых компромиссов позволит увидеть, в каких аспектах имеется гибкость, а в каких нет. В некоторых случаях вертикальное масштабирование с последующим горизонтальным масштабированием с применением Веб-серверов или серверов приложений не является наилучшим подходом. Например, можно установить 8- процессорный сервер, но из соображений экономии, скорее всего, вместо одного большого сервера будут использоваться несколько меньших серверов.

С другой стороны, в определенных ситуациях, в зависимости от роли данных и их использования, вертикальное масштабирование с последующим горизонтальным масштабированием может быть оптимальным подходом для серверов баз данных. Однако возможности балансировки нагрузки и обработки отказов не бесконечны, и количество серверов, которые могут быть охвачены этими процессами, ограничено. Также влияние оказывают и другие аспекты, такие как секционирование базы данных. Кроме технических вопросов и вопросов производительности, нельзя забывать об эксплуатации и управлении и об общей стоимости всей системы.

Как правило, выполняется оптимизация цены и производительности в рамках, налагаемых всеми остальными ограничениями. Например, использование четырех 2-процессорных Веб-

серверов/серверов приложений может быть более оптимальным вариантом с точки зрения цены и производительности по сравнению с использованием двух 4-процессорных серверов. Однако должны быть учтены и другие ограничения, такие как какое максимальное число серверов, которые можно разместить в конкретной инфраструктуре балансировки нагрузки, а также энергопотребление или предоставляемая площадь в дата-центре.

Для реализации ферм серверов и для размещения сервисов могут использоваться виртуализированные серверы. Такой подход поможет найти оптимальное соотношение производительности и стоимости, обеспечивая при этом максимальное использование ресурсов и рентабельность инвестиций.

Компоненты без сохранения состояния

Применение компонентов без сохранения состояния (не сохраняющие промежуточного состояния компоненты, которые могут быть реализованы в клиентской части Веб-приложения) означает возможность создания дизайна с лучшими возможностями, как для горизонтального, так и для вертикального масштабирования. Для сознания дизайна без сохранения состояния придется пойти на многие компромиссы, но обеспечиваемые им преимущества с точки зрения масштабируемости, как правило, перевешивают все возможные недостатки.

Секционирование данных и базы данных

Если приложение работает с очень большой базой данных и есть опасения, что операции ввода/вывода станут узким местом системы, заранее предусмотрите секционирование базы данных. Секционирование базы данных на более поздних этапах проектирования обычно требует полной переработки дизайна базы данных и, соответственно, масштабных изменений всего кода приложения. Секционирование обеспечивает несколько преимуществ, включая возможность направления всех запросов к одной секции (таким образом, использование ресурсов ограничивается только одной частью данных) и возможность задействовать множество секций (таким образом, достигаются лучшие возможности одновременной работы и исключительная производительности за счет извлечения данных с множества дисков).

Однако в некоторых ситуациях наличие множества секций может иметь негативные последствия. Например, некоторые операции эффективнее выполнять с данными, сконцентрированными на одном накопителе.

Принимаемые в сценариях развертывания решения о секционировании хранилища данных во многом определяются типом данных. Рассмотрим значимые факторы:

Статические справочные данные только для чтения. Для этого типа данных в целях улучшения производительности и масштабируемости можно без особого труда поддерживать множество копий на разных накопителях, размещаемых в соответствующих местоположениях. Это имеет минимальное влияние на дизайн и обычно определяется соображениями оптимизации. Сведение нескольких логически отдельных и независимых баз данных на один сервер базы данных, даже если это позволяет объем дискового пространства, может быть неудачным решением, и размещение копий ближе к потребителям данных может оказаться в равной степени приемлемым подходом. Однако нельзя забывать, что любое

тиражирование требует применения механизмов обеспечения синхронизации системы.

Динамические (часто изменяющиеся) легко секционируемые данные. Это данные, относящиеся к конкретному пользователю или сеансу, такие как корзина в системе электронной коммерции, где данные пользователя А никак не связаны с данными пользователя В. Управлять такими данными немного сложнее, чем статическими данными только для чтения, но их довольно легко оптимизировать и распределять, поскольку они могут быть секционированы. Нет никаких зависимостей между группами вплоть до отдельных пользователей. Важная особенность эти данных в том, что здесь не выполняется запрос по всем секциям: запрашивается содержимое корзины пользователя А, но не все корзины, включающие определенный товар. Обратите внимание, если последующие запросы могут поступать на другой Веб-сервер или сервер приложений, все эти серверы должны иметь возможность доступа к соответствующей секции.

Основные данные . Это основной случай применения вертикального масштабирования с последующим горизонтальным масштабированием. Как правило, тиражировать данные этого типа нежелательно из-за сложности их синхронизации. Классическое решение для таких данных – вертикальное масштабирование до предельных возможностей (в идеале, сохранение единственного логического экземпляра с соответствующей кластеризацией) и применение секционирования и распределения, только если горизонтальное масштабирование является единственным допустимым вариантом. Прогресс и достижения в технологиях баз данных, такие как распределенные секционированные представления, намного упростили секционирование, тем не менее, оно должно применяться лишь в случае крайней необходимости. Слишком большой размер базы данных редко является определяющим фактором при принятии решения, намного чаще основную роль играют другие соображения, такие как кому принадлежат данные, географическое распределение пользователей, близость к потребителю и доступность.

Данные с отложенной синхронизацией. Некоторые используемые в приложениях данные не требуют немедленной синхронизации или синхронизации вообще. Отличный пример – такие данные онлайн-магазинов, как «С товаром Х часто покупают Y и Z». Эти данные извлекаются из основных данных, но не требуют обновления в режиме реального времени. Проектирование стратегий, обеспечивающих перевод данных из основных в секционируемые (динамические) и затем в статические, является ключевым фактором в построении высокомасштабируемых приложений.

Более подробно схемы перемещения и тиражирования данных рассматриваются в статье «Data Movement Patterns » (Шаблоны передачи данных) по адресу http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms998449.aspx .

Систем, программных комплексов , систем баз данных , маршрутизаторов , сетей и т. п., если для них требуется возможность работать под большой нагрузкой. Система называется масштабируемой , если она способна увеличивать производительность пропорционально дополнительным ресурсам. Масштабируемость можно оценить через отношение прироста производительности системы к приросту используемых ресурсов. Чем ближе это отношение к единице, тем лучше. Также под масштабируемостью понимается возможность наращивания дополнительных ресурсов без структурных изменений центрального узла системы.

В системе с плохой масштабируемостью добавление ресурсов приводит лишь к незначительному повышению производительности, а с некоторого «порогового» момента добавление ресурсов не даёт никакого полезного эффекта.

Вертикальное масштабирование

Увеличение производительности каждого компонента системы c целью повышения общей производительности.

Горизонтальное масштабирование

Разбиение системы на более мелкие структурные компоненты и разнесение их по отдельным физическим машинам (или их группам) и/или увеличение количества серверов параллельно выполняющих одну и ту же функцию.

Примечания

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Масштабируемость" в других словарях:

масштабируемость - расширяемость Характеристика приложения, которое исполняется на разных платформах и варьируется в размерах (например, на PC под Windows и на рабочей станции Sun под Unix). Для аппаратных средств предсказуемый рост системных характеристик при… …

масштабируемость - 3.1.43 масштабируемость (scalability): Способность обеспечивать функциональные возможности вверх и вниз по упорядоченному ряду прикладных платформ, отличающихся по быстродействию и ресурсам. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Способность программного обеспечения корректно работать на малых и на больших системах с производительностью, которая увеличивается пропорционально вычислительной мощности системы. По английски: Scalability См. также: Открытые системы Программное … Финансовый словарь

масштабируемость системы (в SCADA) - масштабируемость системы [Интент] Масштабируемость системы. Это означает, что разработанный проект можно опробовать на одном компьютере или маленькой сети и затем расширять систему (в соответствии с программой развития, бюджетом и т. д.) без… … Справочник технического переводчика

масштабируемость (в информационных технологиях) - Способность ИТ услуги, процесса, конфигурационной единицы и т.п., выполнять свою ранее согласованную функцию, в случае изменения рабочей нагрузки или охвата. [Словарь терминов ITIL версия 1.0, 29 июля 2011 г.] EN scalability The ability of an IT… … Справочник технического переводчика

масштабируемость (приложения) - масштабируемость расширяемость Характеристика приложения, которое исполняется на разных платформах и варьируется в размерах (например, на PC под Windows и на рабочей станции Sun под Unix). Для аппаратных средств предсказуемый рост системных… … Справочник технического переводчика

масштабируемость (сети и системы связи) - Критерий экономически эффективной системы автоматизации подстанции, учитывающий различные функциональные характеристики, различные интеллектуальные электронные устройства, размер подстанции и диапазоны напряжений подстанции. [ГОСТ Р 54325 2011… … Справочник технического переводчика

масштабируемость в широких пределах - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN terabyte scalability … Справочник технического переводчика

горизонтальная масштабируемость - Наращивание мощности системы добавлением узлов в кластер. Тематики информационные технологии в целом EN horizontal scalability … Справочник технического переводчика

SCALABILITY - масштабируемость - один из основных принципов построения открытых систем, гарантирует сохранение инвестиций в информацию и ПО при переходе на более мощную аппаратную платформу … Словарь электронного бизнеса

Книги

• Microsoft SharePoint 2010. Полное руководство , Майкл Ноэл, Колин Спенс. В книге рассматриваются все новые возможности SharePoint - от новых компонентов социальных сетей до усовершенствованного поиска - которые помогают максимально задействовать как SharePoint…

|

Постоянно растущее количество посетителей сайта – всегда большое достижение для разработчиков и администраторов. Конечно, за исключением тех ситуаций, когда трафик увеличивается настолько, что выводит из строя веб-сервер или другое ПО. Постоянные перебои работы сайта всегда очень дорого обходятся компании.

Однако это поправимо. И если сейчас вы подумали о масштабировании – вы на правильном пути.

В двух словах, масштабируемость – это способность системы обрабатывать большой объем трафика и приспособляться к его росту, сохраняя при этом необходимый UX. Существует два метода масштабирования:

• Вертикальное (также называется scaling up): увеличение системных ресурсов, например, добавление памяти и вычислительной мощности. Этот метод позволяет быстро устранить проблемы с обработкой трафика, но его ресурсы могут быстро себя исчерпать.
• Горизонтальное (или scaling out): добавление серверов в кластер. Рассмотрим этот метод подробнее.

Что такое горизонтальное масштабирование?

Проще говоря, кластер – это группа серверов. Балансировщик нагрузки – это сервер, распределяющий рабочую нагрузку между серверами в кластере. В любой момент в существующий кластер можно добавить веб-сервер для обработки большего объёма трафика. В этом и есть суть горизонтального масштабирования.

Балансировщик нагрузки отвечает только за то, какой сервер из кластера будет обрабатывать полученный запрос. в основном, он работает как обратный прокси-сервер.

Горизонтальное масштабирование – несомненно, более надёжный метод увеличения производительности приложения, однако оно сложнее в настройке, чем вертикальное масштабирование. Главная и самая сложная задача в этом случае – постоянно поддерживать все ноды приложения обновленными и синхронизированными. Предположим, пользователь А отправляет запрос сайту mydomain.com, после чего балансировщик передаёт запрос на сервер 1. Тогда запрос пользователя Б будет обрабатываться сервером 2.

Что произойдёт, если пользователь А внесёт изменения в приложение (например, выгрузит какой-нибудь файл или обновит содержимое БД)? Как передать это изменение остальным серверам кластера?

Ответ на эти и другие вопросы можно найти в этой статье.

Разделение серверов

Подготовка системы к масштабированию требует разделения серверов; при этом очень важно, чтобы серверы с меньшим объёмом ресурсов имели меньше обязанностей, чем более объёмные серверы. Кроме того, разделение приложения на такие «части» позволит быстро определить его критические элементы.

Предположим, у вас есть PHP-приложение, позволяющее проходить аутентификацию и выкладывать фотографии. Приложение основано на стеке LAMP. Фотографии сохраняются на диске, а ссылки на них – в базе данных. Задача здесь заключается в поддержке синхронизации между несколькими серверами приложений, которые совместно используют эти данные (загруженные файлы и сессии пользователя).

Для масштабирования этого приложения нужно разделить веб-сервер и сервер БД. Таким образом в кластере появятся ноды, которые совместно используют сервер БД. Это увеличит производительность приложения, снизив нагрузку на веб-сервер.

В дальнейшем можно настроить балансировку нагрузки; об этом можно прочесть в руководстве « »

Сессионная согласованность

Разделив веб-сервер и базу данных, нужно сосредоточиться на обработке пользовательских сессий.

Реляционные базы данных и сетевые файловые системы

Данные сессий часто хранят в реляционных базах данных (таких как MySQL), потому что это такие базы легко настроить.

Однако это решение не самое надёжное, потому что в таком случае увеличивается нагрузка. Сервер должен вносить в БД каждую операцию чтения и записи для каждого отдельного запроса, и в случае резкого увеличения трафика база данных, как правило, отказывает раньше других компонентов.

Сетевые файловые системы – ещё один простой способ хранения данных; при этом не требуется вносить изменения в базу исходных текстов, однако сетевые системы очень медленно обрабатывают I/O операции, а это может оказать негативное влияние на производительность приложения.

Липкие сессии

Липкие сессии реализуются на балансировщике нагрузки и не требуют никаких изменений в нодах приложения. Это наиболее удобный метод обработки пользовательских сессий. Балансировщик нагрузки будет постоянно направлять пользователя на один и тот же сервер, что устраняет необходимость распространять данные о сессии между остальными нодами кластера.

Однако это решение тоже имеет один серьёзный недостаток. Теперь балансировщик не только распределяет нагрузку, у него появляется дополнительная задача. Это может повлиять на его производительность и привести к сбою.

Серверы Memcached и Redis

Также можно настроить один или несколько дополнительных серверов для обработки сессий. Это самый надёжный способ решения проблем, связанных с обработкой сессий.

Заключительные действия

Горизонтальное масштабирование приложения сначала кажется очень сложным и запутанным решением, однако оно помогает устранить серьёзные проблемы с трафиком. Главное – научиться работать с балансировщиком нагрузки, чтобы понимать, какие из компонентов требуют дополнительной настройки.

Масштабирование и производительность приложения очень тесно связаны между собой. Конечно, масштабирование нужно далеко не всем приложениям и сайтам. Однако лучше подумать об этом заранее, желательно ещё на стадии разработки приложения.

Tags: ,