Основные определения

Одной из основных проблем построения вычислительных систем во все времена остается задача обеспечения их продолжительного функционирования. Эта задача имеет три составляющих: надежность, готовность и удобство обслуживания. Все эти три составляющих предполагают, в первую очередь, борьбу с неисправностями системы, порождаемыми отказами и сбоями в ее работе. Эта борьба ведется по всем трем направлениям, которые взаимосвязаны и применяются совместно.

Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечения тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры. Единицей измерения надежности является среднее время наработки на отказ (MTBF - Mean Time Between Failure).

Повышение готовности предполагает подавление в определенных пределах влияния отказов и сбоев на работу системы с помощью средств контроля и коррекции ошибок, а также средств автоматического восстановления вычислительного процесса после проявления неисправности, включая аппаратурную и программную избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур. Повышение готовности - есть способ борьбы за снижение времени простоя системы. Единицей измерения здесь является коэффициент готовности, который определяет вероятность пребывания системы в работоспособном состоянии в любой произвольный момент времени. Статистически коэффициент готовности определяется как MTBF/(MTBF+MTTR), где MTTR (Mean Time To Repair) - среднее время восстановления (ремонта), т.е. среднее время между моментом обнаружения неисправности и моментом возврата системы к полноценному функционированию.

Таким образом, основные эксплуатационные характеристики системы существенно зависят от удобства ее обслуживания, в частности от ремонтопригодности, контролепригодности и т.д.

В последние годы в литературе по вычислительной технике все чаще употребляется термин "системы высокой готовности", "системы высокой степени готовности", "системы с высоким коэффициентом готовности". Все эти термины по существу являются синонимами, однако как и многие термины в области вычислительной техники, термин "высокая готовность" понимается по-разному отдельными поставщиками и потребителями вычислительных систем. Совершенно аналогично, некоторые слова, связанные с термином "высокая готовность", такие, например, как "кластеризация", также употребляются в различных значениях. Важно иметь стандартный набор определений для того, чтобы предложения различных поставщиков можно было сравнивать между собой на основе одинаковых терминов.

Ниже приведены общепринятые в настоящее время определения, которые мы будем использовать для различных типов систем, свойством которых является та или иная форма снижения планового и непланового времени простоя:

Высокая Готовность (High Availability). Настоящие конструкции с высоким коэффициентом готовности для минимизации планового и непланового времени простоя используют обычную компьютерную технологию. При этом конфигурация системы обеспечивает ее быстрое восстановление после обнаружения неисправности, для чего в ряде мест используются избыточные аппаратные и программные средства. Длительность задержки, в течение которой программа, отдельный компонент или система простаивает, может находиться в диапазоне от нескольких секунд до нескольких часов, но более часто в диапазоне от 2 до 20 минут. Обычно системы высокой готовности хорошо масштабируются, предлагая пользователям большую гибкость, чем другие типы избыточности.
Эластичность к отказам (Fault Resiliency). Ряд поставщиков компьютерного оборудования делит весь диапазон систем высокой готовности на две части, при этом в верхней его части оказываются системы эластичные к отказам. Ключевым моментом в определении эластичности к отказам является более короткое время восстановления, которое позволяет системе быстро откатиться назад после обнаружения неисправности.
Устойчивость к отказам (Fault Tolerance). Отказоустойчивые системы имеют в своем составе избыточную аппаратуру для всех функциональных блоков, включая процессоры, источники питания, подсистемы ввода/вывода и подсистемы дисковой памяти. Если соответствующий функциональный блок неправильно функционирует, всегда имеется горячий резерв. В наиболее продвинутых отказоустойчивых системах избыточные аппаратные средства можно использовать для распараллеливания обычных работ. Время восстановления после обнаружения неисправности для переключения отказавших компонентов на избыточные для таких систем обычно меньше одной секунды.
Непрерывная готовность (Continuous Availability). Вершиной линии отказоустойчивых систем являются системы, обеспечивающие непрерывную готовность. Продукт с непрерывной готовностью, если он работает корректно, устраняет любое время простоя как плановое, так и неплановое. Разработка такой системы охватывает как аппаратные средства, так и программное обеспечение и позволяет проводить модернизацию (upgrade) и обслуживание в режиме on-line. Дополнительным требованием к таким системам является отсутствие деградации в случае отказа. Время восстановления после отказа не превышает одной секунды.
Устойчивость к стихийным бедствияи (Disaster Tolerance). Широкий ряд продуктов и услуг связан с обеспечением устойчивости к стихийным бедствиям. Иногда устойчивость к стихийным бедствиям рассматривается в контексте систем высокой готовности. Смысл этого термина в действительности означает возможность рестарта или продолжения операций на другой площадке, если основное месторасположение системы оказывается в нерабочем состоянии из-за наводнения, пожара или землетрясения. В простейшем случае, продукты, устойчивые к стихийным бедствиям, могут просто представлять собой резервные компьютеры, расположенные вне основного местоположения системы, сконфигурированные по спецификациям пользователя и доступные для использования в случае стихийного бедствия на основной площадке. В более сложных случаях устойчивость к стихийным бедствиям может означать полное (зеркальное) дублирование системы вне основного местоположения, позволяющее принять на себя работу немедленно после отказа системы на основной площадке.

Все упомянутые типы систем высокой готовности имеют общую цель - минимизацию времени простоя. Имеется два типа времени простоя компьютера: плановое и неплановое. Минимизация каждого из них требует различной стратегии и технологии. Плановое время простоя обычно включает время, принятое руководством, для проведения работ по модернизации системы и для ее обслуживания. Неплановое время простоя является результатом отказа системы или компонента. Хотя системы высокой готовности возможно больше ассоциируются с минимизацией неплановых простоев, они оказываются также полезными для уменьшения планового времени простоя.

Возможно наибольшим виновником планового времени простоя является резервное копирование данных. Некоторые конфигурации дисковых подсистем высокой готовности, особенно системы с зеркальными дисками, позволяют производить резервное копирование данных в режиме on-line. Следующим источником снижения планового времени простоя является организация работ по обновлению (модернизации) программного обеспечения. Сегодня некоторые отказоустойчивые системы и все системы с непрерывной готовностью позволяют производить модернизацию программного обеспечения в режиме on-line. Некоторые поставщики систем высокой готовности также обещают такие же возможности в течение ближайших нескольких лет.

В общем случае, неплановое время простоя прежде всего снижается за счет использования надежных частей, резервных магистралей или избыточного оборудования. Однако даже в этом случае система может требовать достаточно большого планового времени простоя.

Специальное программное обеспечение является существенной частью систем высокой готовности. При обнаружении неисправности системы оно обеспечивает управление конфигурацией аппаратных средств и программного обеспечения, а также в случае необходимости процедурами начальной установки, и перестраивает где надо структуры данных.

Высокая готовность не дается бесплатно. Общая стоимость подобных систем складывается из трех составляющих: начальной стоимости системы, издержек планирования и реализации, а также системных накладных расходов.

Для реализации системы высокой готовности пользователи должны в начале закупить собственно систему (или системы), включающую один или несколько процессоров в зависимости от требуемой вычислительной мощности и предполагаемой конфигурации, дополнительное программное обеспечение и дополнительное дисковое пространство.

Чтобы реализовать конфигурацию системы высокой готовности наиболее эффективным способом, особенно при использовании кластерных схем, требуется достаточно большое предварительное планирование. Например, чтобы иметь возможность переброски критичного приложения в случае отказа одного процессора на другой, пользователи должны определить, какие приложения являются наиболее критичными, проанализировать все возможные отказы и составить подробные планы восстановления на все случаи отказов.

Накладные расходы систем высокой готовности связаны с необходимостью поддержки довольно сложных программных продуктов, обеспечивающих высокую готовность. Для обеспечения дублирования записей на зеркальные диски в случае отсутствия специальных, предназначенных для этих целей процессоров, требуется поддержка дополнительной внешней памяти.

Стоимость системы высокой готовности в значительной степени зависит от выбранной конфигурации и ее возможностей. Ниже приведена некоторая информация, позволяющая грубо оценить различные типы избыточности.

Высокая Готовность. Дополнительная стоимость систем высокой готовности меняется в пределах от 10 до 100 процентов, обычно стремясь к середине этого диапазона. Дополнительная стоимость системы высокой готовности зависит от той степени, с которой пользователь способен использовать резервную систему для обработки своих приложений. Стоимость системы высокой готовности может реально превысить 100 процентов за счет программного обеспечения и необходимой начальной установки в случае применения резервной системы, которая не используется ни для чего другого. Однако обычно резервная система может быть использована для решения некритичных задач, значительно снижая стоимость.

Высокая эластичность. Дополнительная стоимость систем высокой эластичности к отказам, принадлежащих к верхнему уровню диапазона систем высокой готовности, лежит в пределах от 20 до 100 процентов, снова обычно стремясь к середине этого диапазона. Схемы высокой эластичности более сложны и предполагают более высокую стоимость планирования и большие накладные расходы, чем системы, принадлежащие нижнему уровню диапазона систем высокой готовности. В некоторых случаях однако, пользователь может в большей степени использовать общие процессорные ресурсы, тем самым уменьшая общую стоимость.

Непрерывная готовность. Надбавка к стоимости для систем с непрерывной готовностью находится в диапазоне от 20 до 100 или более процентов и обычно приближается к верхнему пределу этого диапазона. Программное обеспечение для обеспечения режима непрерывной готовности более сложное, чем для систем, обеспечивающих высокую эластичность к отказам. Большинство компонентов системы, такие как процессоры, источники питания, контроллеры и кабели, должны дублироваться, а иногда и троироваться. Пользователи систем непрерывной готовности, как и пользователи высоко эластичных к отказам систем, имеют возможность использовать весь набор ресурсов системы большую часть времени, по сравнению с пользователями более простых систем, принадлежащих нижнему уровню диапазона систем высокой готовности.

Устойчивость к стихийным бедствиям. Надбавка к стоимости для систем, устойчивым к стихийным бедствиям, может сильно варьироваться. С одной стороны, она может составлять, например, только несколько процентов стоимости системы при резервировании времени запасного компьютера, находящегося вне основной площадки. С другой стороны, стоимость системы может увеличиться в несколько раз, если необходимо обеспечить действительно быстрое переключение на другую систему, находящуюся на удаленной площадке с помощью высокоскоростных сетевых средств. Большинство предложений по системам, устойчивым к стихийным бедствиям, требуют существенного объема планирования.

Для того, чтобы снизить стоимость системы, следует тщательно оценивать действительно необходимый уровень готовности (т.е. осуществлять выбор между высокой готовностью, устойчивостью к отказам и/или устойчивостью к стихийным бедствиям) и вкладывать деньги только за обеспечение безопасности наиболее критичных для деятельности компании приложений и данных.

Содержание раздела