Масштабирование системы. Горизонтальное масштабирование

Олег Спиряев

В последнее время нередки утверждения, что серверы среднего и старшего класса активно заменяются на группы серверов начального уровня, объединенные в стойки или кластеры. Однако некоторые эксперты с этим не согласны. Так, по данным Dataquest, доля моделей ценой от 500 тыс. долл. и выше (к ним относятся средние и старшие серверы SMP) в общем объеме продаж серверов с 2000 до 2002 г. выросла с 38 до 52%.

Другие данные, полученные компанией IDC, свидетельствуют о росте (по крайней мере, по числу машин) в секторе младших моделей серверов - с двумя процессорами. IDC также предсказывает, что в 2005 г. самой распространенной операционной системой для серверов стоимостью от 50 тыс. до 3 млн долл. будет Unix. Из сравнения этих данных видно, что Unix-серверы среднего и старшего класса останутся преобладающей платформой для центров обработки данных, но будут дополняться все растущим числом небольших (обычно двухпроцессорных) серверов.

Эта тенденция сложилась в результате выделения в центрах обработки данных разных уровней вычислений (рис. 1). Уровень 1, или фронтальный уровень, постепенно переходит на модель горизонтального масштабирования небольших серверов, а на уровне 3 (уровне баз данных) преобладают серверы с вертикальным масштабированием. Уровень 2 (уровень приложений) становится областью, где сосуществуют вертикальная и горизонтальная архитектуры.

Вертикальная и горизонтальная архитектуры

Рассмотрим основные различия между вертикальной и горизонтальной архитектурами. Серверы с вертикальным масштабированием - это большие SMP-системы (с симметричной многопроцессорной обработкой или совместно используемой памятью), насчитывающие свыше четырех центральных процессоров. В них используется только одна копия ОС, управляющая работой всех процессоров, памяти и компонентов ввода-вывода. Обычно все эти ресурсы размещены в одной стойке или шкафу. Межсоединения у таких серверов осуществляются по высокоскоростной центральной или объединительной панели с небольшим временем запаздывания и согласованным доступом к кэш-памяти. Добавить ресурсы можно путем установки внутрь шкафа дополнительных системных плат. В системах с вертикальной архитектурой (или SMP-системах) память используется совместно, т. е. все процессоры и компоненты ввода-вывода получают доступ ко всей памяти. Пользователь "видит" память как единый большой объект.

При альтернативном, горизонтальном масштабировании системы соединяются через сеть или объединяются в кластер. Для межсоединений обычно используются стандартные сетевые технологии, такие, как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet (GBE) и Scalable Coherent Interconnect (SCI), дающие меньшую пропускную способность и большее запаздывание по сравнению с вертикальными системами. Ресурсы в этом случае распределяются между узлами, обычно содержащими от одного до четырех процессоров; каждый узел имеет собственный процессор и память и может иметь собственную подсистему ввода-вывода или использовать ее совместно с другими узлами. На каждом узле работает отдельная копия ОС. Ресурсы расширяются за счет добавления узлов, но не добавления ресурсов в узел. Память в горизонтальных системах распределена, т. е. у каждого узла есть собственная память, к которой напрямую обращаются его процессоры и подсистема ввода-вывода. Доступ к этим ресурсам с другого узла происходит намного медленнее, чем с узла, где они расположены. Кроме того, при горизонтальной архитектуре отсутствует согласованный доступ узлов к памяти, а используемые приложения потребляют относительно немного ресурсов, поэтому они "умещаются" на одном узле и им не нужен согласованный доступ. Если же приложению потребуется несколько узлов, то оно само должно обеспечить согласованный доступ к памяти.

Если горизонтальная система удовлетворяет требованиям приложений, то такая архитектура предпочтительна, поскольку расходы на ее приобретение меньше. Обычно стоимость приобретения в расчете на один процессор у горизонтальных систем ниже, чем у вертикальных. Разница в цене объясняется тем, что в вертикальных системах применяются более мощные функции надежности, доступности и обслуживаемости - RAS (reliability, availability, serviceability), а также высокопроизводительные межсоединения. Однако есть ряд ограничений на применение систем с горизонтальной архитектурой. Ниже мы обсудим, в каких условиях возможно применение горизонтальных систем и когда обязательно вертикальное масштабирование.

Помимо одного большого SMP-сервера, к вертикальной архитектуре относятся также кластеры больших SMP-серверов, используемые для одного крупномасштабного приложения.

Недавно появившиеся на рынке модульные, или blade-серверы, обычно оборудуемые одним-двумя процессорами, - пример горизонтальных серверов. Здесь кластер состоит из небольших узлов, в каждом из которых установлен SMP-сервер начального уровня с числом центральных процессоров от 1 до 4.

Другой способ горизонтального масштабирования - это большие вычислительные системы с массовым параллелизмом (MPP), состоящие из множества установленных в одном шкафу небольших процессоров, каждый из которых имеет собственную копию ОС или копию микроядра ОС. В настоящее время выпускаются всего несколько систем MPP, которые чаще всего представляют специализированные решения. Это, например, системы Terradata производства компании NCR, IBM RS/6000SP (SP-2) и HP Tandem non-stop.

Таблица 1. Особенности вертикальной и горизонтальной архитектур

Параметр	Вертикальные системы	Горизонтальные системы
Память	Большая совместно используемая	Небольшая выделенная
Потоки	Много взаимозависимых потоков	Много независимых потоков
Межсоединения	Сильносвязанные внутренние	Слабосвязанные внешние
RAS	Мощные RAS одиночной системы	Мощные RAS с использованием репликации
Центральные процессоры	Много стандартных	Много стандартных
ОС	Одна копия ОС на множество центральных процессоров	Несколько копий ОС (по одной копии на 1-4 процессора)
Компоновка	В одном шкафу	Размещение большого числа серверов в стойке
Плотность размещения		Высокая плотность размещения процессоров на единицу площади пола
Оборудование	Стандартное и специально разработанное	Стандартное
Масштабирование	В пределах корпуса одного сервера	В масштабе нескольких серверов
Расширение	Путем установки в сервер дополнительных компонентов	Путем добавления новых узлов
Архитектура	64-разрядная	32- и 64-разрядная

Табл. 1 позволяет провести сравнительный анализ вертикальной и горизонтальной архитектур.

• В вертикальных системах память используется совместно и обеспечивается согласованный доступ к кэш-памяти.
• Вертикальные системы идеальны для потоков выполнения задач, которые должны обмениваться данными между собой.
• Вертикальные системы характеризуются мощными функциями RAS, а в горизонтальных системах доступность реализуется с помощью массивной репликации (в кластер соединяются несколько узлов, поэтому отказ одного из них мало влияет на работу всей системы).
• В вертикальных системах одна копия ОС охватывает все ресурсы. Некоторые вертикальные системы, например, мидфреймы и серверы класса high-end Sun Microsystems (от Sun Fire 4800 до Sun Fire 15K), можно разделить на меньшие вертикальные серверы.
• В вертикальных системах используется максимально возможное число стандартных компонентов, но некоторые основные составляющие (например, межсоединения) специально разрабатываются.
• Вертикальные системы можно расширять, устанавливая в существующий каркас дополнительные компоненты (более мощные процессоры, добавочную память, дополнительные и более производительные соединения ввода-вывода и т. п.). Горизонтальные системы расширяются за счет добавления узла или замены старых узлов на новые.
• Практически все вертикальные системы 64-разрядные, а горизонтальные могут быть как 32-разрядными, так и 64-разрядными.

Для одних типов приложений лучше подходят вертикальные системы, для других - горизонтальные, однако во многих случаях оптимальный выбор архитектуры зависит от размера задачи. В табл. 2 приведены примеры приложений, для которых оптимальна вертикальная либо горизонтальная архитектура.

Таблица 2. Типы приложений для вертикальной и горизонтальной архитектур

Для небольших и модульных серверов хорошо подходят приложения, которые не используют информацию о состоянии, невелики по масштабу и легко реплицируются. А для приложений, использующих информацию о состоянии и большие объемы данных, требующих интенсивной передачи данных внутри системы, идеальным решением будут вертикальные серверы. На рынке высокопроизводительных технических вычислений (HPTC) имеется множество приложений, в которых потоки зависят друг от друга и обмениваются данными между собой. Существуют также приложения, которым нужны большие объемы совместно используемой памяти. Для этих двух типов приложений лучше всего подходят большие SMP-серверы. Однако имеются и такие приложения HPTC, в которых потоки исполнения независимы и им не требуется совместно используемая память большого объема. Такие приложения можно разбивать на разделы, и потому для их выполнения идеальны кластеры небольших серверов. Аналогичным образом некоторые коммерческие приложения поддерживают разделы, и для них оптимальны горизонтальные серверы, а другие нельзя разбить на разделы, поэтому для них лучшая платформа - это вертикальные серверы.

Факторы, влияющие на производительность

Все крупные центры обработки данных представляют собой параллельные компьютеры. Здесь даже кластеры можно рассматривать как особый тип параллельных систем. Для получения высокой производительности требуется сбалансированная система с мощными процессорами, работающими на высокой скорости межсоединениями и подсистемой ввода-вывода, масштабируемой ОС, оптимизированными приложениями и совершенными функциями RAS.

Процессоры и системные межсоединения

Процессоры, безусловно, существенный компонент, но они только отчасти определяют общую производительность системы. Более важно обеспечить работу процессоров с максимальной загрузкой. У мощного процессора, загруженного лишь на 50%, производительность будет хуже, чем у более медленного процессора, который загружен на 80%.

Кроме того, по мере роста числа процессоров в параллельной системе на первый план выходит не их мощность, а системные межсоединения. Именно они отвечают за перемещение данных с диска, из памяти и из сети к процессору. В кластере в качестве межсоединения выступает сетевое соединение, например, Fast Ethernet или Gigabit Ethernet. Кластерные межсоединения перемещают данные между узлами, а системные - внутри отдельной системы. Если межсоединение работает слишком медленно, то процессор в ожидании данных будет простаивать.

Системные межсоединения также используются для перемещения адресов данных, что необходимо для поддержки согласованного обращения к кэш-памяти. Если системное межсоединение слишком медленно передает адреса данных, то процессор опять-таки будет простаивать в ожидании данных, поскольку для доступа к ним ему нужно знать их адрес. Быстрые межсоединения обеспечивают высокую пропускную способность и низкое запаздывание (малое время, проходящее от момента запроса на данные до начала передачи данных).

Основное техническое различие между горизонтальными и вертикальными системами - это пропускная способность и запаздывание их межсоединений. У межсоединений кластеров пропускная способность может составлять от 125 Мбайт/с для Fast Ethernet до 200 Мбайт/с для SCI, а запаздывание - от 100 тыс. нс для GBE и до 10 тыс. нс для SCI. С помощью интерфейса InfiniBand возможно реализовать более быстрые межсоединения с пиковой скоростью от примерно 250 Мбайт/с для первой версии и до 3 Гбайт/с для последующих.

Ввод и вывод

Быстрый ввод-вывод необходим для того, чтобы межсоединение могло быстро получить данные с диска и из сети и передать их процессорам. Узкое место в подсистеме ввода-вывода может отрицательно сказаться на работе даже самых быстрых межсоединений и процессоров.

Операционная система

Даже лучшее оборудование оказывается неэффективным, если ОС недостаточно масштабируема. Для горизонтальных систем масштабируемость ОС не столь важна, потому что в отдельном узле или с отдельной копией ОС работает не более четырех процессоров.

Доступность системы

Вообще говоря, доступность системы во многом зависит от типа архитектуры. В больших SMP-системах функции RAS встроены в систему и дополнены переключением при отказах для двух-четырех узлов. В горизонтальных системах RAS отдельных узлов хуже, но улучшение этих функций достигается многократной репликацией узлов.

Оптимизированные приложения

Приложения необходимо оптимизировать для архитектуры вычислительной системы. Легче всего писать и оптимизировать приложения для SMP-систем. Основные коммерческие приложения оптимизированы именно для SMP-систем и даже разрабатывались на них, поэтому SMP доминируют на рынке систем среднего класса и high-end последние десять лет.

Размер приложений

Как уже отмечалось, в больших SMP-системах используются высокоскоростные межсоединения, обеспечивающие достаточную производительность системы. В горизонтальных системах могут возникать проблемы с производительностью из-за низкой пропускной способности и значительной задержки межсоединений в тех случаях, когда требуется часто передавать данные между узлами. Однако некоторым приложениям для достижения высокой производительности не нужна высокая скорость межсоединений - обычно это небольшие приложения и приложения, которые можно легко реплицировать (например, Web-серверы, прокси-серверы, брандмауэры и небольшие серверы приложений). В таких горизонтальных системах каждый узел выполняет небольшую задачу независимо от работы всех остальных.

Например, в случае горизонтальной архитектуры (или архитектуры с распределенной памятью) четыре процессорных узла (каждый с отдельным ОЗУ и выделенной либо используемой совместно подсистемой ввода-вывода) могут использовать сетевое межсоединение, например, Gigabit Ethernet. В этой вычислительной среде выполняются рабочие нагрузки трех типов. Самая маленькая нагрузка помещается на одном узле, но по мере ее увеличения для выполнения требуется уже несколько узлов. Как утверждают специалисты, при выполнении одной задачи на нескольких узлах производительность значительно ухудшается из-за медленных межузловых межсоединений. Небольшие нагрузки, которым не нужно обмениваться данными между собой, прекрасно сочетаются с горизонтальной архитектурой, но при выполнении в ней крупномасштабных нагрузок возникают проблемы.

Конфигурация большой системы SMP может включать, например, до 100 процессоров, 576 Гбайт совместно используемой памяти и высокоскоростные межсоединения. Такая система может обрабатывать все типы нагрузок, поскольку в ней отсутствует обмен данными между узлами и эффективно осуществляется обмен данными между процессами. Все центральные процессоры могут одновременно получить доступ ко всем дискам, всей памяти и сетевым соединениям - это ключевая особенность SMP-систем (или вертикальных систем).

Часто возникает вопрос о целесообразности размещения на больших SMP малых нагрузок. Хотя в техническом плане это возможно, с экономической точки зрения такой подход себя не оправдывает. Для больших SMP стоимость приобретения в расчете на один процессор выше, чем для маленьких систем. Поэтому если приложение может работать на небольшом узле (или нескольких небольших узлах) и это не создает серьезных проблем с управлением, для его развертывания лучше подходит горизонтальное масштабирование. Но если приложение слишком велико и не может выполняться на небольшом узле (или нескольких таких узлах), то крупный SMP-сервер будет оптимальным вариантом с точки зрения как производительности, так и системного администрирования.

Производительность на уровне базы данных

Основной вопрос здесь - сравнение производительности одиночных средних и больших SMP-серверов с кластером небольших серверов (не более четырех процессоров).

При обсуждении масштабируемости фирмы-производители используют ряд специальных терминов. Так, рост производительности (Speedup) для SMP определяется как отношение скоростей выполнения приложения на нескольких процессорах и на одном. Линейный рост производительности (Linear speedup) означает, например, что на 40 процессорах приложение работает в 40 раз (40x) быстрее, чем на одном. Рост производительности не зависит от числа процессоров, т. е. для конфигурации из 24 процессоров он будет таким же, как для 48 процессоров. Рост производительности кластера (Cluster speedup) отличается только тем, что при его расчете берется число узлов, а не процессоров. Как и рост производительности SMP, рост производительности кластера остается постоянным для разного числа узлов.

Эффективность масштабирования (Scaling efficiency) характеризует способность приложений, особенно кластерных, масштабироваться на большое число узлов. Обычно считается, что эффективность масштабирования зависит от числа узлов, участвующих в измерении. Эффективность масштабирования SMP (SMP scaling efficiency) - это рост производительности, деленный на число процессоров, а эффективность кластера (Cluster efficiency) - это рост производительности кластера, деленный на число узлов в нем. Нужно понимать, в чем смысл этих параметров, чтобы не складывалась неправильная картина, поскольку эффективность масштабирования 90% на двух узлах - это не то же самое, что эффективность масштабирования 90% на четырех узлах.

На рис. 2 приведены три графика: идеальная линейная масштабируемость, масштабируемость 24-процессорного SMP-сервера в 95% и масштабируемость кластера из двух 4-процессорных серверов в 90%. Видно, что существуют определенные ограничения на масштабируемость баз данных в кластерах (при горизонтальном масштабировании). Соединяя вместе много маленьких серверов, не удается получить масштабируемость, необходимую для средних и крупных приложений. Причина этого - ограничения пропускной способности внутрикластерных межсоединений, дополнительная нагрузка на ПО баз данных, связанная с управлением кластером, и трудности написания приложений для кластерных сред с распределенной памятью.

Опубликованные результаты эталонных тестов показывают, например, что у Oracle9i RAC (Real Application Cluster) рост производительности составляет 1,8 и эффективность масштабирования равна 90%. Такая эффективность масштабируемости может показаться достаточно высокой, но на самом деле масштабируемость 90% для четырех узлов оказывается неэффективной, если сравнить ее с результатами больших SMP-серверов.

Производительность на уровне приложений

Уровень приложений в трехуровневом центре обработки данных сильно отличается от уровня базы данных. Обычно приложения этого уровня работают без запоминания состояния - иными словами, на самом сервере данные не хранятся или хранится только их небольшая часть. Этот уровень содержит бизнес-правила для сервисов приложений. Транзакции приходят на уровень приложений и им же обрабатываются. Когда данные нужно записать или считать, транзакции передаются на уровень базы данных. Серверы приложений стремятся консолидировать соединения с базой данных, поскольку большое число соединений отрицательно влияет на производительность.

В большинстве случаев уровню сервера приложений требуется намного больше процессоров, чем уровню базы данных в расчете на отдельный прикладной сервис. Например, в случае SAP R/3 это соотношение составляет примерно 10 процессоров на каждый процессор базы данных, т. е. если SAP R/3 требуется 20 процессоров для уровня базы данных, то на уровне приложений должно быть примерно 200 процессоров. Вопрос заключается в том, что выгоднее развернуть - 100 двухпроцессорных серверов или десять 20-процессорных. Аналогичным образом в Oracle соотношение процессоров приложений к процессорам баз данных равно примерно 5 к 1.

Считается, что серверы приложений не требуется распределять по нескольким узлам. Несколько копий прикладного ПО можно распределить по разным физическим серверам разной мощности или по динамическим доменам больших серверов.

Число процессоров, требуемых для уровня приложений, будет примерно одинаково независимо от архитектуры компьютеров. Затраты на приобретение оборудования и ПО для горизонтальной архитектуры будут меньше, поскольку стоимость в расчете на один процессор в этом случае меньше. В большинстве случаев горизонтальные системы способны обеспечить производительность, необходимую для выполнения соглашения об уровне сервиса. Затраты, связанные с приобретением лицензий на ПО, для обеих архитектур примерно одинаковы.

В то же время расходы на управление и обслуживание инфраструктуры у горизонтальной архитектуры могут оказаться более высокими. При развертывании на горизонтальных системах используются многочисленные копии ОС и ПО серверов приложений. Затраты же на поддержание инфраструктуры обычно растут пропорционально числу копий ОС и приложений. Кроме того, для горизонтальной архитектуры резервное копирование и восстановление после аварий становится децентрализованным, и управлять сетевой инфраструктурой сложнее.

Стоимость системного администрирования с трудом поддается измерениям. Обычно модели для сравнения горизонтального и вертикального развертывания прикладных серверов показывают, что управление меньшим числом более мощных серверов (вертикальных серверов) обходится дешевле, чем управление множеством небольших серверов. В целом при выборе типа архитектуры для развертывания уровня приложений ИТ-менеджеры должны детально проанализировать стоимость приобретения оборудования.

Влияние архитектуры на доступность

Доступность крайне важна для современных центров обработки данных - сервисы приложений должны быть доступны в режиме 24x7x365 (24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году). В зависимости от потребностей конкретного центра обработки данных используются разные схемы обеспечения высокой доступности. Для выбора конкретного решения необходимо определить допустимое время простоев (запланированных и незапланированных). На рис. 3 показано, как процент доступности отражается на продолжительности простоев.

По мере роста требований к доступности растет и стоимость решения. Менеджеры центров обработки данных должны определить, какое сочетание стоимости, сложности и доступности наилучшим образом соответствует требованиям к уровню сервиса. Центры обработки данных, которым нужна доступность примерно 99,95%, могут развернуть одиночный SMP-сервер с такими функциями RAS, как полное резервирование аппаратуры и обслуживание в онлайновом режиме.

Однако для достижения доступности выше 99,95% потребуется кластер. ПО Sun Cluster с переключением при отказе HA (High Availability - высокой доступности) обеспечивает доступность 99,975%. Переключение при отказе HA использует основной сервер и находящийся в горячем резерве; при отказе основного сервера резервный берет на себя его нагрузку. Время перезапуска сервиса зависит от приложений и может занять несколько минут, особенно в случае приложений баз данных, которым для восстановления транзакций требуется откат с обработкой большого объема данных.

Если простои в несколько минут недопустимы для центра обработки данных, то решением может стать система типа "активный-активный", где приложение развертывается на двух или нескольких узлах: если один из них выйдет из строя, то остальные продолжат выполнение приложения. В результате перебой будет очень коротким (некоторые клиенты сообщают, что он продолжается менее 1 мин), иногда пользователь может даже не заметить отказа узла.

Вертикальные серверы обеспечивают высокую доступность за счет встраивания многих функций RAS в отдельный сервер для сокращения до минимума запланированных и незапланированных простоев. В горизонтальных серверах функции, обеспечивающие высокий уровень RAS, реализуются не на уровне отдельного сервера, а за счет дублирования и размещения нескольких серверов. Из-за разной реализации функций RAS и межсоединений горизонтальные серверы обычно дешевле в расчете на один процессор.

Для трехуровневой архитектуры хорошим примером горизонтальной высокой доступности служит развертывание Web-серверов. Можно развернуть много небольших серверов, на каждом из которых будет установлена отдельная копия ПО Web-сервера. Если один Web-сервер выйдет из строя, его транзакции перераспределяются между остальными работоспособными серверами. В случае серверов приложений они могут размещаться как на горизонтальных, так и на вертикальных серверах, и высокая доступность реализуется с помощью дублирования. Независимо от того, развертывается ли несколько крупных SMP-серверов или много небольших, дублирование остается основным способом обеспечения высокого RAS на уровне приложений.

Однако для уровня баз данных ситуация меняется. Базы данных сохраняют состояние и по своей природе требуют в большинстве случаев разделения данных и возможности доступа к ним со всех процессоров/узлов. Это означает, что для высокой доступности с помощью дублирования нужно использовать такое ПО кластеризации, как Sun Cluster или Oracle9i RAC (для очень высокой доступности).

Выводы

Как у вертикальной, так и у горизонтальной архитектуры есть своя ниша в сегодняшнем центре обработки данных. Хотя сегодня основное внимание сосредоточено на таких новых технологиях, как модульные серверы и параллельные базы данных, на рынке сохраняется высокий спрос на серверы среднего класса и класса high-end.

Вертикальные и горизонтальные системы могут использовать одно и то же ПО, ОС и даже одинаковые процессоры. Основное различие, которое сказывается на цене и производительности, это межсоединения, используемые в той и в другой архитектуре. Горизонтальные серверы используют слабосвязанные внешние межсоединения, а вертикальные серверы - сильносвязанные межсоединения, обеспечивающие более высокую скорость передачи данных.

Для фронтального уровня горизонтальные серверы обычно предоставляют оптимальное решение с точки зрения производительности, совокупной стоимости приобретения и доступности. Для уровня приложений можно эффективно использовать как вертикальную, так и горизонтальную архитектуру. Для уровня баз данных оптимальным решением будет использование вертикальных серверов, независимо от требуемого уровня доступности.

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…

Итак вы сделали сайт. Всегда интересно и волнительно наблюдать как счетчик посещений медленно, но верно ползет вверх, с каждым днем показывая все лучшие результаты. Но однажды, когда вы этого не ждете, кто-то запостит ссылку на ваш ресурс на каком-нибудь Reddit или Hacker News (или на Хабре - прим. пер.), и ваш сервер ляжет.

Вместо того, что бы получить новых постоянных пользователей, вы останетесь с пустой страницей. В этот момент, ничего не поможет вам восстановить работоспособность сервера, и трафик будет утерян навсегда. Как же избежать таких проблем? В этой статье мы поговорим об оптимизации и масштабировании .

Немного про оптимизацию

Основные советы всем известны: обновитесь до последней версии PHP (в 5.5 теперь встроен OpCache), разберитесь с индексами в базе данных, кэшируйте статику (редко изменяемые страницы, такие как “О нас”, “FAQ” и т.д.).

Также стоит упомянуть об одном особом аспекте оптимизации - обслуживании статического контента не-Apache сервером, таким как, например, Nginx, Настройте Nginx на обработку всего статического контента (*.jpg, *.png, *.mp4, *.html…), а файлы требующие серверной обработки пусть отсылает тяжелому Apache. Это называется reverse proxy .

Масштабирование

Есть два типа масштабирования - вертикальное и горизонтальное.
В моем понимании, сайт является масштабируемым, если он может справляться с трафиком, без изменений в программном обеспечении.

Вертикальное масштабирование.

Представьте себе сервер, обслуживающий веб-приложение. У него 4ГБ RAM, i5 процессор и 1ТБ HDD. Он отлично выполняет свои функции, но, что бы лучше справляться с более высоким трафиком, вы решаете увеличить RAM до 16ГБ, поставить процессор i7, и раскошелиться на SSD диск. Теперь сервер гораздо мощнее, и справляется с высокими нагрузками. Это и есть вертикальное масштабирование.

Горизонтальное масштабирование.

Горизонтальное масштабирование - создание кластера из связанных между собой (часто не очень мощных) серверов, которые вместе обслуживают сайт. В этом случае, используется балансировщик нагрузки (aka load balancer ) - машина или программа, основная функция которой - определить на какой сервер послать запрос. Сервера в кластере делят между собой обслуживание приложения, ничего друг о друге не зная, таким образом значительно увеличивая пропускную способность и отказоустойчивость вашего сайта.

Есть два типа балансировщиков - аппаратные и программные. Программный - устанавливается на обычный сервер и принимает весь трафик, передавая его соответствующим обработчикам. Таким балансировщиком может быть, например, Nginx. В разделе “Оптимизация” он перехватывал все запросы на статические файлы, и обслуживал эти запросы сам, не обременяя Apache. Другое популярное ПО для реализации балансировки нагрузки - Squid . Лично я всегда использую именно его, т.к. он предоставляет отличный дружественный интерфейс, для контроля за самыми глубокими аспектами балансировки.

Аппаратный балансировщик - выделенная машина, единственная цель которой - распределять нагрузку. Обычно на этой машине, никакого ПО, кроме разработанного производителем, больше не стоит. Почитать про аппаратные балансировщики нагрузки можно .

Обратите внимание, что эти два метода не являются взаимоисключающими. Вы можете вертикально масштабировать любую машину (aka Ноду ) в вашей системе.
В этой статье мы обсуждаем горизонтальное масштабирование, т.к. оно дешевле и эффективнее, хотя и сложнее в реализации.

Постоянное соединение

При масштабировании PHP приложений, возникает несколько непростых проблем. Одна из них - работа с данными сессии пользователя. Ведь если вы залогинились на сайте, а следующий ваш запрос балансировщик отправил на другую машину, то новая машина не будет знать, что вы уже залогинены. В этом случае, вы можете использовать постоянное соединение. Это значит, что балансировщик запоминает на какую ноду отправил запрос пользователя в прошлый раз, и отправляет следующий запрос туда же. Однако, получается, что балансировщик слишком перегружен функциями, кроме обработки сотни тысяч запросов, ему еще и приходится помнить как именно он их обработал, в результате чего, сам балансировщик становится узким местом в системе.

Обмен локальными данными.

Разделить данные сессии пользователей между всеми нодами кластера - кажется неплохой идеей. И несмотря на то, что этот подход требует некоторых изменений в архитектуре вашего приложения, оно того стоит - разгружается балансировщик, и весь кластер становится более отказоустойчивым. Смерть одного из серверов совершенно не отражается на работе всей системы.
Как мы знаем, данные сессии хранятся в суперглобальном массиве $_SESSION , который пишет и берет данные с файла на диске. Если этот диск находится на одном сервере, очевидно, что другие сервера не имеют к нему доступа. Как же нам сделать его доступным на нескольких машинах?
Во первых, обратите внимание, что обработчик сессий в PHP можно переопределить . Вы можете реализовать свой собственный класс для работы с сессиями .

Использование БД для хранения сессий

Используя собственный обработчик сессий, мы можем хранить их в БД. База данных может быть на отдельном сервере (или даже кластере). Обычно этот метод отлично работает, но при действительно большом трафике, БД становится узким местом (а при потере БД мы полностью теряем работоспособность), ибо ей приходится обслуживать все сервера, каждый из которых пытается записать или прочитать данные сессии.

Распределенная файловая система

Возможно вы думаете о том, что неплохо бы было настроить сетевую файловую систему, куда все сервера смогли бы писать данные сессии. Не делайте этого! Это очень медленный подход, приводящий к порче, а то и потере данных. Если же, по какой-то причине, вы все-таки решили использовать этот метод, рекомендую вам GlusterFS

Memcached

Вы также можете использовать memcached для хранения данных сессий в RAM. Однако это не безопасно, ибо данные в memcached перезаписываются, если заканчивается свободное место. Вы, наверное, задаетесь вопросом, разве RAM не разделен по машинам? Как он применяется на весь кластер? Memcached имеет возможность объединять доступную на разных машинах RAM в один пул .

Чем больше у вас машин, тем больше вы можете отвести в этот пул памяти. Вам не обязательно объединять всю память машин в пул, но вы можете, и вы можете пожертвовать в пул произвольное количество памяти с каждой машины. Так что, есть возможность оставить бо льшую часть памяти для обычного использования, и выделить кусок для кэша, что позволит кэшировать не только сессии, но другую подходящую информацию. Memcached - отличное и широко распространенное решение .

Для использования этого подхода, нужно немного подредактировать php.ini

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

Redis кластер

Redis - NoSQL хранилище данных. Хранит базу в оперативной памяти. В отличие от memcached поддерживает постоянное хранение данных, и более сложные типы данных. Redis не поддерживает кластеризацию , так что использовать его для горизонтального масштабирования несколько затруднительно, однако, это временно, и уже вышла альфа версия кластерного решения .

Другие решения

Итого

Как видите, горизонтальное масштабирование PHP приложений не такое уж простое дело. Существует много трудностей, большинство решений не взаимозаменяемые, так что приходится выбирать одно, и придерживаться его до конца, ведь когда трафик зашкаливает - уже нет возможности плавно перейти на что-то другое.

Надеюсь этот небольшой гайд поможет вам выбрать подход к масштабированию для вашего проекта.

Во второй части статьи мы поговорим о масштабировании базы данных .

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 .

Масштабируемость - способность устройства увеличивать свои
возможности
путем наращивания числа функциональных блоков,
выполняющих одни и
те же задачи.
Глоссарий.ru

Обычно о масштабировании начинают думать тогда, когда один
сервер не справляется с возложенной на него работой. С чем именно он не
справляется? Работа любого web-сервера по большому счету сводится к основному
занятию компьютеров - обработке данных. Ответ на HTTP (или любой другой) запрос
подразумевает проведение некоторых операций над некими данными. Соответственно,
у нас есть две основные сущности - это данные (характеризуемые своим объемом) и
вычисления (характеризуемые сложностью). Сервер может не справляться со своей
работой по причине большого объема данных (они могут физически не помещаться на
сервере), либо по причине большой вычислительной нагрузки. Речь здесь идет,
конечно, о суммарной нагрузке - сложность обработки одного запроса может быть
невелика, но большое их количество может «завалить» сервер.

В основном мы будем говорить о масштабировании на примере
типичного растущего web-проекта, однако описанные здесь принципы подходят и для
других областей применения. Сначала мы рассмотрим архитектуру проекта и простое
распределение ее составных частей на несколько серверов, а затем поговорим о
масштабировании вычислений и данных.

Типичная архитектура сайта

Жизнь типичного сайта начинается с очень простой архитектуры
- это один web-сервер (обычно в его роли выступает Apache),
который занимается всей работой по обслуживанию HTTP-запросов,
поступающих от посетителей. Он отдает клиентам так называемую «статику», то
есть файлы, лежащие на диске сервера и не требующие обработки: картинки (gif,
jpg, png), листы стилей (css), клиентские скрипты (js, swf). Тот же сервер
отвечает на запросы, требующие вычислений - обычно это формирование
html-страниц, хотя иногда «на лету» создаются и изображения и другие документы.
Чаще всего ответы на такие запросы формируются скриптами, написанными на php,
perl или других языках.

Минус такой простой схемы работы в том, что разные по
характеру запросы (отдача файлов с диска и вычислительная работа скриптов)
обрабатываются одним и тем же web-сервером. Вычислительные запросы требуют
держать в памяти сервера много информации (интерпретатор скриптового языка,
сами скрипты, данные, с которыми они работают) и могут занимать много
вычислительных ресурсов. Выдача статики, наоборот, требует мало ресурсов
процессора, но может занимать продолжительное время, если у клиента низкая
скорость связи. Внутреннее устройство сервера Apache предполагает, что каждое
соединение обрабатывается отдельным процессом. Это удобно для работы скриптов,
однако неоптимально для обработки простых запросов. Получается, что тяжелые (от
скриптов и прочих данных) процессы Apache много времени проводят в ожидании (сначала при получении
запроса, затем при отправке ответа), впустую занимая память сервера.

Решение этой проблемы - распределение работы по обработке
запросов между двумя разными программами - т.е. разделение на frontend и
backend. Легкий frontend-сервер выполняет задачи по отдаче статики, а остальные
запросы перенаправляет (проксирует) на backend, где выполняется формирование
страниц. Ожидание медленных клиентов также берет на себя frontend, и если он использует
мультиплексирование (когда один процесс обслуживает нескольких клиентов - так
работают, например, nginx или lighttpd), то ожидание практически ничего не
стоит.

Из других компонент сайта следует отметить базу данных, в
которой обычно хранятся основные данные системы - тут наиболее популярны
бесплатные СУБД MySQL и PostgreSQL. Часто отдельно выделяется хранилище
бинарных файлов, где содержатся картинки (например, иллюстрации к статьям
сайта, аватары и фотографии пользователей) или другие файлы.

Таким образом, мы получили схему архитектуры, состоящую из
нескольких компонент.

Обычно в начале жизни сайта все компоненты архитектуры
располагаются на одном сервере. Если он перестает справляться с нагрузкой, то
есть простое решение - вынести наиболее легко отделяемые части на другой
сервер. Проще всего начать с базы данных - перенести ее на отдельный сервер и
изменить реквизиты доступа в скриптах. Кстати, в этот момент мы сталкиваемся с
важностью правильной архитектуры программного кода. Если работа с базой данных
вынесена в отдельный модуль, общий для всего сайта - то исправить параметры
соединения будет просто.

Пути дальнейшего разделения компонент тоже понятны - например, можно вынести frontend на отдельный сервер. Но обычно frontend
требует мало системных ресурсов и на этом этапе его вынос не даст существенного
прироста производительности. Чаще всего сайт упирается в производительность
скриптов - формирование ответа (html-страницы) занимает слишком долгое время.
Поэтому следующим шагом обычно является масштабирование backend-сервера.

Распределение вычислений

Типичная ситуация для растущего сайта - база данных уже
вынесена на отдельную машину, разделение на frontend и backend выполнено,
однако посещаемость продолжает увеличиваться и backend не успевает обрабатывать
запросы. Это значит, что нам необходимо распределить вычисления на несколько
серверов. Сделать это просто - достаточно купить второй сервер и поставить на
него программы и скрипты, необходимые для работы backend.
После этого надо сделать так, чтобы запросы пользователей распределялись
(балансировались) между полученными серверами. О разных способах балансировки
будет сказано ниже, пока же отметим, что обычно этим занимается frontend,
который настраивают так, чтобы он равномерно распределял запросы между
серверами.

Важно, чтобы все backend-серверы были способны правильно
отвечать на запросы. Обычно для этого необходимо, чтобы каждый из них работал с
одним и тем же актуальным набором данных. Если мы храним всю информацию в единой
базе данных, то СУБД сама обеспечит совместный доступ и согласованность данных.
Если же некоторые данные хранятся локально на сервере (например, php-сессии
клиента), то стоит подумать о переносе их в общее хранилище, либо о более
сложном алгоритме распределения запросов.

Распределить по нескольким серверам можно не только работу
скриптов, но и вычисления, производимые базой данных. Если СУБД выполняет много
сложных запросов, занимая процессорное время сервера, можно создать несколько
копий базы данных на разных серверах. При этом возникает вопрос синхронизации
данных при изменениях, и здесь применимы несколько подходов.

• Синхронизация на уровне приложения . В этом случае наши
  скрипты самостоятельно записывают изменения на все копии базы данных (и сами несут
  ответственность за правильность данных). Это не лучший вариант, поскольку он
  требует осторожности при реализации и весьма неустойчив к ошибкам.
• Репликация - то есть автоматическое тиражирование
  изменений, сделанных на одном сервере, на все остальные сервера. Обычно при
  использовании репликации изменения записываются всегда на один и тот же сервер - его называют master, а остальные копии - slave. В большинстве СУБД есть
  встроенные или внешние средства для организации репликации. Различают
  синхронную репликацию - в этом случае запрос на изменение данных будет ожидать,
  пока данные будут скопированы на все сервера, и лишь потом завершится успешно - и асинхронную - в этом случае изменения копируются на slave-сервера с
  задержкой, зато запрос на запись завершается быстрее.
• Multi-master репликация. Этот подход аналогичен
  предыдущему, однако тут мы можем производить изменение данных, обращаясь не к
  одному определенному серверу, а к любой копии базы. При этом изменения
  синхронно или асинхронно попадут на другие копии. Иногда такую схему называют
  термином «кластер базы данных».

Возможны разные варианты распределения системы по серверам.
Например, у нас может быть один сервер базы данных и несколько backend (весьма
типичная схема), или наоборот - один backend и несколько БД. А если мы масштабируем
и backend-сервера, и базу данных, то можно объединить backend и копию базы на
одной машине. В любом случае, как только у нас появляется несколько экземпляров
какого-либо сервера, возникает вопрос, как правильно распределить между ними
нагрузку.

Методы балансировки

Пусть мы создали несколько серверов (любого назначения - http, база данных и т.п.), каждый из которых может обрабатывать запросы. Перед
нами встает задача - как распределить между ними работу, как узнать, на какой
сервер отправлять запрос? Возможны два основных способа распределения запросов.

• Балансирующий узел . В этом случае клиент шлет запрос на один
  фиксированный, известный ему сервер, а тот уже перенаправляет запрос на один из
  рабочих серверов. Типичный пример - сайт с одним frontend и несколькими
  backend-серверами, на которые проксируются запросы. Однако «клиент» может
  находиться и внутри нашей системы - например, скрипт может слать запрос к
  прокси-серверу базы данных, который передаст запрос одному из серверов СУБД.
  Сам балансирующий узел может работать как на отдельном сервере, так и на одном
  из рабочих серверов.

  Преимущества этого подхода в том,
  что клиенту ничего не надо знать о внутреннем устройстве системы - о количестве
  серверов, об их адресах и особенностях - всю эту информацию знает только
  балансировщик. Однако недостаток в том, что балансирующий узел является единой
  точкой отказа системы - если он выйдет из строя, вся система окажется
  неработоспособна. Кроме того, при большой нагрузке балансировщик может просто перестать
  справляться со своей работой, поэтому такой подход применим не всегда.

• Балансировка на стороне клиента . Если мы хотим избежать
  единой точки отказа, существует альтернативный вариант - поручить выбор сервера
  самому клиенту. В этом случае клиент должен знать о внутреннем устройстве нашей
  системы, чтобы уметь правильно выбирать, к какому серверу обращаться.
  Несомненным плюсом является отсутствие точки отказа - при отказе одного из
  серверов клиент сможет обратиться к другим. Однако платой за это является
  усложнение логики клиента и меньшая гибкость балансировки.

Разумеется, существуют и комбинации этих подходов. Например,
такой известный способ распределения нагрузки, как DNS-балансировка, основан на
том, что при определении IP-адреса сайта клиенту выдается
адрес одного из нескольких одинаковых серверов. Таким образом, DNS выступает в
роли балансирующего узла, от которого клиент получает «распределение». Однако
сама структура DNS-серверов предполагает отсутствие точки отказа за счет
дублирования - то есть сочетаются достоинства двух подходов. Конечно, у такого
способа балансировки есть и минусы - например, такую систему сложно динамически
перестраивать.

Работа с сайтом обычно не ограничивается одним запросом.
Поэтому при проектировании важно понять, могут ли последовательные запросы
клиента быть корректно обработаны разными серверами, или клиент должен быть
привязан к одному серверу на время работы с сайтом. Это особенно важно, если на
сайте сохраняется временная информация о сессии работы пользователя (в этом
случае тоже возможно свободное распределение - однако тогда необходимо хранить
сессии в общем для всех серверов хранилище). «Привязать» посетителя к
конкретному серверу можно по его IP-адресу (который, однако, может меняться),
или по cookie (в которую заранее записан идентификатор сервера), или даже
просто перенаправив его на нужный домен.

С другой стороны, вычислительные сервера могут быть и не равноправными.
В некоторых случаях выгодно поступить наоборот, выделить отдельный сервер для
обработки запросов какого-то одного типа - и получить вертикальное разделение
функций. Тогда клиент или балансирующий узел будут выбирать сервер в
зависимости от типа поступившего запроса. Такой подход позволяет отделить
важные (или наоборот, не критичные, но тяжелые) запросы от остальных.

Распределение данных

Мы научились распределять вычисления, поэтому большая
посещаемость для нас не проблема. Однако объемы данных продолжают расти,
хранить и обрабатывать их становится все сложнее - а значит, пора строить
распределенное хранилище данных. В этом случае у нас уже не будет одного или
нескольких серверов, содержащих полную копию базы данных. Вместо этого, данные
будут распределены по разным серверам. Какие возможны схемы распределения?

• Вертикальное распределение (vertical partitioning) - в простейшем случае
  представляет собой вынесение отдельных таблиц базы данных на другой сервер. При
  этом нам потребуется изменить скрипты, чтобы обращаться к разным серверам за
  разными данными. В пределе мы можем хранить каждую таблицу на отдельном сервере
  (хотя на практике это вряд ли будет выгодно). Очевидно, что при таком
  распределении мы теряем возможность делать SQL-запросы, объединяющие данные из
  двух таблиц, находящихся на разных серверах. При необходимости можно реализовать
  логику объединения в приложении, но это будет не столь эффективно, как в СУБД.
  Поэтому при разбиении базы данных нужно проанализировать связи между таблицами,
  чтобы разносить максимально независимые таблицы.

  Более сложный случай
  вертикального распределения базы - это декомпозиция одной таблицы, когда часть
  ее столбцов оказывается на одном сервере, а часть - на другом. Такой прием
  встречается реже, но он может использоваться, например, для отделения маленьких
  и часто обновляемых данных от большого объема редко используемых.

• Горизонтальное распределение (horizontal partitioning) - заключается в
  распределении данных одной таблицы по нескольким серверам. Фактически, на
  каждом сервере создается таблица такой же структуры, и в ней хранится
  определенная порция данных. Распределять данные по серверам можно по разным
  критериям: по диапазону (записи с id < 100000 идут на сервер А, остальные - на сервер Б), по списку значений (записи типа «ЗАО» и «ОАО» сохраняем на сервер
  А, остальные - на сервер Б) или по значению хэш-функции от некоторого поля
  записи. Горизонтальное разбиение данных позволяет хранить неограниченное
  количество записей, однако усложняет выборку. Наиболее эффективно можно выбирать
  записи только когда известно, на каком сервере они хранятся.

Для выбора правильной схемы распределения данных необходимо
внимательно проанализировать структуру базы. Существующие таблицы (и, возможно,
отдельные поля) можно классифицировать по частоте доступа к записям, по частоте
обновления и по взаимосвязям (необходимости делать выборки из нескольких
таблиц).

Как упоминалось выше, кроме базы данных сайту часто требуется
хранилище для бинарных файлов. Распределенные системы хранения файлов
(фактически, файловые системы) можно разделить на два класса.

• Работающие на уровне операционной системы . При этом для
  приложения работа с файлами в такой системе не отличается от обычной работы с
  файлами. Обмен информацией между серверами берет на себя операционная система.
  В качестве примеров таких файловых систем можно привести давно известное
  семейство NFS или менее известную, но более современную систему Lustre.
• Реализованные на уровне приложения распределенные
  хранилища подразумевают, что работу по обмену информацией производит само
  приложение. Обычно функции работы с хранилищем для удобства вынесены в
  отдельную библиотеку. Один из ярких примеров такого хранилища - MogileFS, разработанная
  создателями LiveJournal. Другой распространенный пример - использование
  протокола WebDAV и поддерживающего его хранилища.

Надо отметить, что распределение данных решает не только
вопрос хранения, но и частично вопрос распределения нагрузки - на каждом
сервере становится меньше записей, и потому обрабатываются они быстрее.
Сочетание методов распределения вычислений и данных позволяет построить
потенциально неограниченно-масштабируемую архитектуру, способную работать с
любым количеством данных и любыми нагрузками.

Выводы

Подводя итог сказанному, сформулируем выводы в виде кратких тезисов.

• Две основные (и связанные между собой) задачи масштабирования - это распределение вычислений и распределение данных
• Типичная архитектура сайта подразумевает разделение ролей и
  включает frontend, backend, базу данных и иногда хранилище файлов
• При небольших объемах данных и больших нагрузках применяют
  зеркалирование базы данных - синхронную или асинхронную репликацию
• При больших объемах данных необходимо распределить базу данных - разделить
  ее вертикально или горизонтально
• Бинарные файлы хранятся в распределенных файловых системах
  (реализованных на уровне ОС или в приложении)
• Балансировка (распределение запросов) может быть равномерная или
  с разделением по функционалу; с балансирующим узлом, либо на стороне клиента
• Правильное сочетание методов позволит держать любые нагрузки;)

Ссылки

Продолжить изучение этой темы можно на интересных англоязычных сайтах и блогах.