馬辰王博曹寧生
云架構(gòu)中高可用技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展
馬辰王博曹寧生
(中國艦船研究院北京100192)
論文從云架構(gòu)著手,從內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)兩個方面分析高可用技術(shù)現(xiàn)狀。在內(nèi)容上,著重分析基于數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)和虛擬化的高可用性方案;在網(wǎng)絡(luò)上,分析以SDN架構(gòu)為基礎(chǔ)的高可用性方案。通過整合云架構(gòu)中各類高可用技術(shù)方案,從船舶應(yīng)用的角度對其未來發(fā)展提出合理化建議。
云架構(gòu);高可用;服務(wù)器;內(nèi)容;網(wǎng)絡(luò)
Class NumberTP393
美軍全艦計算環(huán)境(Total-Ship Computing Environment,TSCE)在DDG-1000中的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注[1]。美軍認為,TSCE為艦艇電子信息系統(tǒng)的集成方式和組織運行帶來重大變革,在擴展升級、抗毀生存、分散布置、統(tǒng)一標準、開放集成和靈活重構(gòu)等六個方面具有重大優(yōu)勢[2]。目前,我國研究人員深入分析美軍TSCE現(xiàn)狀,對我軍下一代艦艇裝備建設(shè),提出了許多建議。其中,提供差異化的高服務(wù)質(zhì)量,具有高抗毀性,對提升艦艇的戰(zhàn)斗力和生存能力至關(guān)重要[3]。
以服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)為核心的云架構(gòu)的出現(xiàn),為我軍的艦艇信息系統(tǒng)發(fā)展提供了一種有效的解決方案。在云架構(gòu)中,通過動態(tài)的資源調(diào)配,通過網(wǎng)絡(luò)以虛擬資源的形式提供服務(wù)[4]。用戶無論身在何處,只要能夠接入云網(wǎng)絡(luò)中,就能在云架構(gòu)上完成任務(wù);而操控者通過對云架構(gòu)資源的調(diào)度和維護,為用戶提供高可用服務(wù),同時減少資源消耗,降低運維的復(fù)雜度。目前,使用最多的云平臺有AWS,OpenStack,ClouFoundry和CloudStack等[5~7];大數(shù)據(jù)平臺有Hadoop,Spark等[8~10]。在這些平臺中,均設(shè)計一定的冗余資源,為用戶提供高可用服務(wù)。
而目前的云架構(gòu),也存在著數(shù)據(jù)庫、虛擬化和大數(shù)據(jù)等多種架構(gòu)并存,缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和配置,無法提供差異化服務(wù)的問題。本文以船舶云架構(gòu)為基礎(chǔ),圍繞國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)、虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)等技術(shù),進行綜合分析。按照高可用技術(shù)涉及的范圍,將其分為內(nèi)容高可用和網(wǎng)絡(luò)高可用。在內(nèi)容高可用中,歸納數(shù)據(jù)級、應(yīng)用級和平臺級的高可用;在網(wǎng)絡(luò)方面,歸納出基于內(nèi)容連通性的高可用架構(gòu)。這兩種技術(shù)均能為用戶提供差異化的高可用服務(wù),從不同角度滿足用戶的需求。
云架構(gòu)中有用戶和管理員兩個角色。用戶可以在任意一點接入網(wǎng)絡(luò),向云架構(gòu)請求存儲、計算和虛擬機等服務(wù);管理員調(diào)試云架構(gòu)中的存儲、計算和網(wǎng)絡(luò)資源,響應(yīng)用戶的需求。在圖1中,用戶通過交換機5接入云架構(gòu),并向管理員發(fā)送應(yīng)用請求,而管理員通過調(diào)度服務(wù)器3中的服務(wù)資源并建立起通路:服務(wù)器3→交換機4→交換機5→用戶,響應(yīng)用戶需求。
高可用(High Availability)技術(shù),就是以提供持續(xù)性的穩(wěn)定服務(wù)為目的,通過冗余的和并行的方式實現(xiàn)業(yè)務(wù)不間斷提升系統(tǒng)性能,而云架構(gòu)是高可用技術(shù)的一種具體實現(xiàn)方式[11]。一般情況下,在云架構(gòu)中的高可用技術(shù)指的是內(nèi)容的高可用,即網(wǎng)絡(luò)默認為是可靠的,而需要在不同的服務(wù)器中調(diào)用存儲和計算資源,以保證服務(wù)的穩(wěn)定性[6],如圖1中,當(dāng)服務(wù)出現(xiàn)故障時,認為服務(wù)器3故障,即發(fā)生故障1。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)本身的高可用性也被考慮進了云架構(gòu)中[12],如圖1中,交換機4和5之間的網(wǎng)絡(luò)故障2也會造成用戶服務(wù)的中斷。因而,在考慮船舶云的高可用性技術(shù)時,需要從內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)兩個方面分別分析。
3.1 云架構(gòu)中的內(nèi)容架構(gòu)
云架構(gòu)提供內(nèi)容的服務(wù),主要包括存儲、計算和虛擬機等,其平臺架構(gòu)如圖2所示。底層是由服務(wù)器、存儲單元和交換機構(gòu)成的硬件資源。在虛擬化層,提供虛擬化平臺,將由若干個服務(wù)器的集群虛化成一個資源池。在云計算架構(gòu)層,云架構(gòu)為用戶提供存儲服務(wù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)和虛擬機服務(wù)環(huán)境。其中存儲服務(wù)由分布式數(shù)據(jù)庫和文件管理系統(tǒng),對結(jié)構(gòu)化非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供存儲和檢索等數(shù)據(jù)級服務(wù);大數(shù)據(jù)服務(wù)在Hadoop架構(gòu)下,提供MapReduce和Spark等分布式離線計算和實時計算等應(yīng)用級的服務(wù);虛擬機服務(wù)由OpenStack技術(shù)為某些業(yè)務(wù)建立多個虛擬機,提供平臺級的服務(wù)。
按照用戶請求內(nèi)容的不同,將內(nèi)容高可用需求分為四級,分別是:
1)數(shù)據(jù)級高可用:用戶向云架構(gòu)請求數(shù)據(jù)的存儲與讀取,該數(shù)據(jù)在用戶端進行處理。在數(shù)據(jù)級高可用中,云架構(gòu)需要將數(shù)據(jù)存儲于不同位置的服務(wù)器中,以保證當(dāng)某服務(wù)器出現(xiàn)故障時,其他存儲冗余資源的服務(wù)器可以及時提供資源。數(shù)據(jù)級高可用的恢復(fù)時間一般在ms~s級之間。
2)應(yīng)用級高可用:用戶業(yè)務(wù)計算功能進行高可用的冗余備份;管理員在進行數(shù)據(jù)和計算管理時,冗余的控制保證。在應(yīng)用級高可用中,云架構(gòu)需要將應(yīng)用功能在不同的服務(wù)器節(jié)點中實現(xiàn),以保證某服務(wù)器出現(xiàn)故障時,其他應(yīng)用節(jié)點可以及時備份。應(yīng)用級高可用的恢復(fù)時間一般在s~min級之間。
3)平臺級高可用:用戶在客戶端向云架構(gòu)請求操作和開發(fā)平臺,而主要環(huán)境均在云架構(gòu)上。在平臺級高可用中,云架構(gòu)需要為用戶提供由計算和存儲構(gòu)成的虛擬計算機,當(dāng)某個虛擬機節(jié)點損失時,可以利用云架構(gòu)存儲的數(shù)據(jù),直接恢復(fù)出原有的虛擬機。平臺級高可用的恢復(fù)時間一般在min~hour級。
4)集群級高可用:管理員在某個服務(wù)器集群出現(xiàn)故障時,利用備份的集群進行恢復(fù)。集群級高可用一般用于數(shù)據(jù)中心間的備份,融合數(shù)據(jù)級、應(yīng)用級和平臺級高可用的策略和技術(shù),恢復(fù)時間一般在min~day級。
3.2 云架構(gòu)內(nèi)容高可用性
1)數(shù)據(jù)級高可用
云架構(gòu)的數(shù)據(jù)可以分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)即行數(shù)據(jù),存儲在數(shù)據(jù)庫里,可以使用二維表結(jié)構(gòu)來邏輯表達實現(xiàn)的數(shù)據(jù);而非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)指不方便使用數(shù)據(jù)庫二維邏輯表來實現(xiàn)的數(shù)據(jù),包括所有格式的辦公文檔、文本、圖像、音頻、視頻等信息。在云架構(gòu)中,結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)一般使用通用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲,非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)一般由大數(shù)據(jù)組件中的分布式文件管理系統(tǒng)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲。
傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表格一般在單機上使用,用戶直接將數(shù)據(jù)存入表中;在云架構(gòu)系統(tǒng)中,實現(xiàn)了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的分布式管理,即數(shù)據(jù)存在不同的存儲服務(wù)器中,在數(shù)據(jù)庫之上,設(shè)立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),將某一節(jié)點作為數(shù)據(jù)庫的控制節(jié)點,而在數(shù)據(jù)層面實現(xiàn)主從服務(wù)器數(shù)據(jù)的備份。在分布式的數(shù)據(jù)庫中,又可以提供數(shù)據(jù)庫級、用戶級、表級等更加細分的高可用策略。正常情況下,數(shù)據(jù)的讀寫由用戶通過控制節(jié)點寫入主數(shù)據(jù)節(jié)點,并且實現(xiàn)主節(jié)點與從節(jié)點的數(shù)據(jù)備份;當(dāng)主節(jié)點產(chǎn)生故障時,通過控制節(jié)點,將數(shù)據(jù)的讀寫由主節(jié)點轉(zhuǎn)移到從節(jié)點上去。在主從節(jié)點的高可用模式中,數(shù)據(jù)僅由一個節(jié)點完全提供,不考慮主機與節(jié)點的位置和負載均衡等內(nèi)容。圖3(a)是主從備份的一個示例,在圖中存儲節(jié)點A是主節(jié)點,存儲節(jié)點B和C是從節(jié)點,正常情況下用戶所需要的數(shù)據(jù)由A提供;當(dāng)A出現(xiàn)故障時,數(shù)據(jù)由控制節(jié)點B提供。
分布式文件管理系統(tǒng)的目的是將海量文件遍布存儲在一個大集群的多臺服務(wù)器中,它既可以存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),也可以存儲非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),其典型案例是HDFS(Hadoop Distributed File System)。HDFS將每一個文件以分塊序列的形式進行存儲,一個文件的所有分塊除去最后一個分塊外都是等大小的。HDFS的文件管理系統(tǒng)有控制節(jié)點(NameNode)和存儲節(jié)點(DataNode)。數(shù)據(jù)被分塊存入不同的存儲節(jié)點中,由控制節(jié)點管理,通過多副本機制,保證數(shù)據(jù)高可用性。圖3(b)是一個分布式文件管理系統(tǒng)的示例,數(shù)據(jù)資源1、2和3備份存儲在不同的服務(wù)器中,其中1和2存儲在服務(wù)器A中,1和3存儲在B中,2和3存儲在C中;在正常情況下,用戶請求的數(shù)據(jù)資源由服務(wù)器A提供數(shù)據(jù)1和2,B提供3;當(dāng)服務(wù)器A故障時,由服務(wù)器B提供1和3,服務(wù)器C提供2。HDFS保證了數(shù)據(jù)存儲的高可靠性,與主從備份相比,又降低了總的文件存儲容量。并且通過控制節(jié)點的管理,可以有效地考慮服務(wù)時數(shù)據(jù)與用戶的距離等因素,具有較強的生存能力。
2)應(yīng)用級高可用
應(yīng)用級高可用主要存在于大數(shù)據(jù)平臺。大數(shù)據(jù)平臺的作用主要是在海量數(shù)據(jù)情況下,單機無法在有效的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)計算,因而需要將數(shù)據(jù)分配在不同的CPU和內(nèi)存架構(gòu)上,進行并行計算,來滿足用戶的需求。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用分布式計算環(huán)境,一般指Hadoop架構(gòu),利用控制節(jié)點進行資源調(diào)配,使用的MapReduce和Spark等計算平臺的架構(gòu)也是主從結(jié)構(gòu)。
在控制方法上,通過兩臺控制節(jié)點的服務(wù)器(MasterServer),實現(xiàn)計算管理的高可靠性。當(dāng)主控節(jié)點出現(xiàn)故障時,其計算和存儲的調(diào)度切換到備用控制節(jié)點上去。圖4(a)是控制應(yīng)用的高可用性說明。在正常情況下,用戶通過控制控制節(jié)點A進行數(shù)據(jù)的存儲操作;當(dāng)控制節(jié)點A出現(xiàn)故障時,其管理權(quán)限自動切換至控制節(jié)點B上。這樣可以在部分控制節(jié)點失效的情況下,仍然可以及時響應(yīng)用戶的請求,整個系統(tǒng)無單點故障。
在計算方法上,類似于HDFS中的冗余備份,在計算進程上實現(xiàn)高可用性。即在Map過程中,每一個計算節(jié)點均有冗余量;當(dāng)其中一個節(jié)點出現(xiàn)故障時,利用其余節(jié)點的冗余信息,在Reduce階段也可完成數(shù)據(jù)的計算任務(wù)。圖4(b)是一個冗余計算能力的示意圖。在正常情況下計算節(jié)點A、B、C分別具有計算進程1和2、1和3、2和3,在控制節(jié)點Reduce后送給用戶;當(dāng)節(jié)點A故障時,B和C中具有的進程在Reduce后依然可以保證進程1、2和3同時運行,完成用戶的計算任務(wù)。
3)平臺級高可用
在云計算中,由虛擬化平臺向用戶提供虛擬機任務(wù),在虛擬機里用戶得到與任務(wù)機類似的若干臺虛擬機。對虛擬化平臺而言,其高可用性指的就是提供不間斷的虛擬機服務(wù)。虛擬化過程中,一臺虛擬機由一臺在計算節(jié)點的主機和一塊在存儲節(jié)點的虛擬磁盤組成。而對于虛擬機計算節(jié)點的故障,可以利用虛擬機的熱遷移,在備份計算節(jié)點上,利用原先虛擬磁盤,重新建立起新的計算平臺。虛擬機的遷移整體時間大概需要幾分鐘,主要包括對故障物理機的重試探測時間、虛擬機的遷移時間和虛擬化管理平臺狀態(tài)同步時間。遷移后的新虛擬機與原虛擬機相比,保留了整個平臺中的數(shù)據(jù)存儲,但其平臺中進行的計算任務(wù)均已中斷。圖5是虛擬機的遷移原理,正常情況下,用戶請求的虛擬機由計算節(jié)點A和存儲節(jié)點A分別提供虛擬主機和虛擬磁盤;當(dāng)計算節(jié)點A故障時,由計算節(jié)點B重新生成一臺虛擬主機,并且掛載存儲節(jié)點A上的原有磁盤,生成一臺新的虛擬機提供給用戶。
4.1 云架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
通信網(wǎng)絡(luò)中,通常使用生存性(Survivability)技術(shù)滿足用戶高可用需求。根據(jù)操作在故障前后的順序,可以分為故障后保護(Protection)與恢復(fù)(Restoration)。保護技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)或鏈路提供預(yù)置的保護資源,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時,故障業(yè)務(wù)或者鏈路將由預(yù)留的保護資源進行傳達,從而恢復(fù)受影響的業(yè)務(wù)或鏈路?;謴?fù)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)或鏈路動態(tài)尋找網(wǎng)絡(luò)中的剩余資源,通過利用網(wǎng)絡(luò)中的富裕帶寬,快速消除故障的業(yè)務(wù)或鏈路所帶來的影響。根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的標準,通信網(wǎng)絡(luò)的保護恢復(fù)時間在ms級,一般不超過50ms,而恢復(fù)技術(shù)時間在ms~s級。
隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN技術(shù)的出現(xiàn),使用集中式控制架構(gòu),為保護和恢復(fù)提供了新的方向。圖6展示了SDN的總體架構(gòu),從上往下看依次為應(yīng)用層、控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層。SDN應(yīng)用層是開發(fā)者根據(jù)SDN控制層提供的接口進行相關(guān)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用。SDN控制平面則用來實現(xiàn)請求應(yīng)答、算路等功能,在圖6中SDN控制器控制整個網(wǎng)絡(luò)的管理流程,數(shù)據(jù)庫存儲網(wǎng)絡(luò)鏈路以及業(yè)務(wù)請求情況,路徑計算單元用來進行路徑規(guī)劃??刂破骺梢耘c云架構(gòu)中內(nèi)容控制管理服務(wù)相連,提供必要的控制管理功能。轉(zhuǎn)發(fā)層包含基本的傳輸器件,如路由器、交換機、傳輸線路和中繼設(shè)備等,它與控制層協(xié)同工作,根據(jù)控制層的指令協(xié)議(例如OpenFlow協(xié)議),進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
4.2 云架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)高可用性
船舶的平臺系統(tǒng)使用云架構(gòu),由于故障可能產(chǎn)生在任何部位,造成多個服務(wù)器模塊或者網(wǎng)絡(luò)模塊失效。因而在云架構(gòu)中,需要綜合考慮基于內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中,業(yè)務(wù)是點對點(point-to-point)的,即業(yè)務(wù)從特定的源節(jié)點到目的節(jié)點,其源、宿節(jié)點是不能變化的。當(dāng)宿節(jié)點發(fā)生故障時,整個業(yè)務(wù)應(yīng)付失效,無法恢復(fù)。在云架構(gòu)中,基于服務(wù)器的業(yè)務(wù)占據(jù)帶寬請求的絕大部分,如云計算、云存儲、云點播等。這類業(yè)務(wù)的請求目的節(jié)點是服務(wù)器中的服務(wù)資源,而并非某一個特定的節(jié)點。我們稱這種業(yè)務(wù)為點到內(nèi)容(point-to-content)業(yè)務(wù)請求。任何擁有此類特定資源的數(shù)據(jù)中心都可以滿足用戶要求。從網(wǎng)絡(luò)層面上看,任何相關(guān)的服務(wù)器節(jié)點都可以作為宿節(jié)點。因而在云架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中,如果一個服務(wù)器節(jié)點失效了,其服務(wù)的點到內(nèi)容的業(yè)務(wù)均可被其他具有相關(guān)資源的服務(wù)器所替代。這種云架構(gòu)的特性被稱為內(nèi)容連通性(content-connectivity),即業(yè)務(wù)的請求是到固定內(nèi)容的。
圖7是網(wǎng)絡(luò)高可用性的一個典型案例。在正常情況下,用戶通過連接網(wǎng)絡(luò)控制器,向云架構(gòu)發(fā)送業(yè)務(wù)請求。在正常情況下,用戶通過交換機5和4來訪問服務(wù)器3;交換機5和4之間的路徑出現(xiàn)故障后,傳統(tǒng)的方案是通過交換機5、2、3、4來繼續(xù)訪問服務(wù)器3;而內(nèi)容連通性的方案是通過交換機5和2來訪問服務(wù)器2中的資源。
船舶云的發(fā)展的同時,伴隨著新的挑戰(zhàn),本文總結(jié)主要如下:
1)內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)缺乏有效的統(tǒng)籌。內(nèi)容管理主要依靠服務(wù)器中軟件自身的控制軟件,而在網(wǎng)絡(luò)方面,缺乏相關(guān)的控制管理功能。
2)控制器缺乏有效的接口。大數(shù)據(jù)、虛擬化在內(nèi)容管理中使用的是各自的控制器,而SDN網(wǎng)絡(luò)中使用的是基于OpenFlow協(xié)議的控制器,各種控制器之間接口并不統(tǒng)一。
3)內(nèi)容縱向管理的挑戰(zhàn)。在內(nèi)容的高可用中,控制器在故障時,僅從單一的數(shù)據(jù)級、應(yīng)用級或者平臺級進行管理,而不是有效地從上到下選擇具有合適備份策略。
4)內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度策略。云架構(gòu)的高可用性包括存儲、計算和網(wǎng)絡(luò),如何建立云架構(gòu)高可用度模型,完成統(tǒng)一調(diào)度的策略和算法。
5)差異化的高可用服務(wù)提供。云架構(gòu)中各類服務(wù)需要根據(jù)服務(wù)的等級和質(zhì)量要求,在內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)資源中提供差異化服務(wù),在資源使用率和可用性中取得較好的平衡。
目前,船舶的信息系統(tǒng)正在向TSCE跨越。云架構(gòu)可以提供從數(shù)據(jù)級到集群集的業(yè)務(wù),是未來船舶信息系統(tǒng)的重要組成部分,因而其高可用技術(shù)得到了廣泛的研究。本文梳理目前云架構(gòu)中涉及的高可用技術(shù)并進行分析,對其未來的發(fā)展提出有效的建議。
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Current Situation and Development of High Availability for Cloud Architecture
MA ChenWANG BoCAO Ningsheng
(China Ship Research and Development Academy,Beijing100192)
In this work,content and networking is analyzed to show the high availability(HA)for cloud platform.For content,the HA technologies of database,big data and virtualization are introduced,and the software defined network(SDN)is utilized for the HA of networking.Based on the combination of HA of various technologies,rationalization proposals are proposed for future ship cloud architecture in term of ship application.
cloud architecture,high availability,server,content,network
TP393
10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.001
2017年1月3日,
2017年2月18日
馬辰,男,博士,工程師,研究方向:云計算、大數(shù)據(jù)和寬帶通信。王博,男,碩士,高級工程師,研究方向:國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件平臺設(shè)計和系統(tǒng)仿真。曹寧生,男,碩士,研究員,研究方向:系統(tǒng)仿真、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。