In der modernen IT-Infrastruktur ist die Hochverfügbarkeit (High Availability, HA) von Diensten und Anwendungen entscheidend, um Ausfallzeiten zu minimieren und eine kontinuierliche Betriebsbereitschaft zu gewährleisten. Eine bewährte Methode zur Erreichung dieses Ziels ist die Einrichtung eines Failover-Clusters. In Linux-Umgebungen bieten Failover-Cluster eine effektive Möglichkeit, Serverausfälle abzufangen und eine automatische Umschaltung auf Backup-Systeme zu ermöglichen.
In diesem Blogbeitrag werden wir die Konzepte von Failover-Clustern, deren Funktionsweise, die Vorteile sowie die gängigen Tools und Technologien in Linux genauer betrachten.
1. Was ist ein Failover-Cluster?
Ein Failover-Cluster besteht aus einer Gruppe von Servern (auch als Knoten bezeichnet), die gemeinsam arbeiten, um eine Anwendung oder einen Dienst verfügbar zu halten. Wenn ein Knoten ausfällt, übernimmt automatisch ein anderer Knoten im Cluster (der sogenannte Failover) die Aufgaben des ausgefallenen Systems. Das Ziel von Failover-Clustern ist es, die Hochverfügbarkeit sicherzustellen, indem sie Single Points of Failure (SPOF) vermeiden und die Dienste auch im Falle eines Hardware-, Software- oder Netzwerkfehlers weiterlaufen lassen.
Die Funktionsweise von Failover-Clustern basiert auf zwei Hauptprinzipien:
- Überwachung (Monitoring): Die Knoten im Cluster überwachen sich gegenseitig kontinuierlich, um festzustellen, ob ein Knoten ausgefallen ist.
- Automatische Übernahme (Failover): Wenn ein Knoten als nicht funktionsfähig erkannt wird, übernimmt ein anderer Knoten automatisch die Dienste oder Anwendungen, die der ausgefallene Knoten bereitgestellt hat.
2. Wie funktionieren Failover-Cluster?
Die Funktionsweise eines Failover-Clusters lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:
- Clusterbildung: Eine Gruppe von Servern wird zu einem Cluster zusammengeschlossen, wobei jeder Server als Knoten fungiert. Diese Knoten sind über ein Netzwerk miteinander verbunden und kommunizieren kontinuierlich miteinander.
- Heartbeat-Überwachung: Die Knoten senden sich regelmäßig sogenannte Heartbeats, um ihre Verfügbarkeit zu signalisieren. Wenn ein Knoten aufhört, Heartbeats zu senden, geht der Cluster davon aus, dass der Knoten ausgefallen ist.
- Failover-Prozess: Wenn ein Knoten als ausgefallen erkannt wird, startet der Cluster den Failover-Prozess. Der betroffene Dienst oder die Anwendung wird auf einen anderen Knoten verschoben, der in der Lage ist, die Aufgaben zu übernehmen.
- Wiederherstellung (Recovery): Sobald der ausgefallene Knoten repariert oder wieder online gebracht wird, kann er wieder in den Cluster integriert werden, um seine Rolle als Backup zu übernehmen oder erneut Dienste bereitzustellen.
3. Wichtige Konzepte in Failover-Clustern
a. Quorum
Das Quorum ist eine wichtige Komponente in Cluster-Architekturen. Es bestimmt die Mindestanzahl von Knoten, die aktiv sein müssen, damit der Cluster funktionsfähig bleibt. Dies verhindert Split-Brain-Szenarien, bei denen unterschiedliche Knoten des Clusters glauben, sie seien die aktiven Master-Knoten. Ein Quorum-Mechanismus sorgt also für die Konsistenz und Verfügbarkeit des Clusters.
b. Heartbeat
Der Heartbeat ist ein Mechanismus, der von Knoten verwendet wird, um ihre Erreichbarkeit im Cluster zu signalisieren. Wenn ein Knoten keine Heartbeat-Nachrichten mehr von einem anderen Knoten empfängt, wird dies als Hinweis auf einen Ausfall interpretiert, und der Failover-Prozess wird ausgelöst.
c. STONITH (Shoot The Other Node In The Head)
STONITH ist eine Technik zur Vermeidung von Split-Brain-Szenarien, indem sichergestellt wird, dass ein ausgefallener oder nicht mehr erreichbarer Knoten tatsächlich abgeschaltet wird, bevor der Failover auf einen anderen Knoten erfolgt. Dies stellt sicher, dass keine zwei Knoten gleichzeitig denselben Dienst bereitstellen, was zu Dateninkonsistenzen führen könnte.
4. Tools für Failover-Cluster in Linux
Es gibt verschiedene Open-Source-Tools, die in Linux-Umgebungen zur Implementierung von Failover-Clustern verwendet werden können. Zu den bekanntesten gehören:
a. Pacemaker
Pacemaker ist ein weit verbreiteter Cluster-Manager für Linux, der die Hochverfügbarkeit von Diensten und Anwendungen in einem Failover-Cluster sicherstellt. Pacemaker überwacht die Knoten im Cluster und führt den Failover-Prozess aus, falls ein Knoten ausfällt. Es arbeitet eng mit anderen Tools wie Corosync zusammen und unterstützt eine Vielzahl von Clustertopologien.
b. Corosync
Corosync ist eine Messaging- und Mitgliedschaftsschicht, die in HA-Umgebungen verwendet wird. Es bietet eine zuverlässige Kommunikation zwischen den Knoten im Cluster und verwaltet Heartbeat-Signale, um festzustellen, welche Knoten aktiv sind. Corosync arbeitet häufig zusammen mit Pacemaker.
c. DRBD (Distributed Replicated Block Device)
DRBD ist eine Lösung zur Spiegelung von Daten zwischen zwei Servern auf Blockebene. Es ermöglicht die Erstellung von hochverfügbaren Speicherlösungen, indem Daten in Echtzeit auf einen sekundären Server repliziert werden. DRBD stellt sicher, dass die Daten auch im Falle eines Ausfalls eines Servers konsistent bleiben.
d. Keepalived
Keepalived wird häufig verwendet, um die Verfügbarkeit von Load Balancern sicherzustellen, kann aber auch als Failover-Lösung in anderen Clustern eingesetzt werden. Es verwendet das Virtual Router Redundancy Protocol (VRRP), um den Ausfall eines Servers oder Routers zu erkennen und auf einen Backup-Knoten umzuschalten.
e. GlusterFS
GlusterFS ist ein verteiltes Dateisystem, das sich ideal für Failover-Cluster eignet. Es bietet eine einfache Möglichkeit, Speicherplatz zwischen mehreren Servern zu replizieren und so sicherzustellen, dass Daten auch bei einem Knoten- oder Serverausfall verfügbar bleiben.
5. Vorteile von Failover-Clustern
a. Hochverfügbarkeit
Der Hauptvorteil von Failover-Clustern ist die Hochverfügbarkeit von Diensten. Selbst bei einem Hardware- oder Softwareausfall bleibt der Dienst dank automatischem Failover weiterhin verfügbar.
b. Redundanz
Failover-Cluster bieten Redundanz auf Serverebene. Wenn ein Server oder Knoten ausfällt, übernimmt ein anderer, sodass keine Ausfallzeiten entstehen.
c. Minimierung von Ausfallzeiten
Durch die Implementierung eines Failover-Mechanismus können ungeplante Ausfallzeiten minimiert werden, da der Dienstbetrieb ohne manuelle Eingriffe automatisch aufrecht erhalten bleibt.
d. Skalierbarkeit
Failover-Cluster sind leicht skalierbar. Es können zusätzliche Knoten hinzugefügt werden, um die Redundanz oder Kapazität zu erhöhen, ohne dass die Infrastruktur neu gestaltet werden muss.
6. Praktisches Beispiel: Implementierung eines Failover-Clusters mit Pacemaker und Corosync
Hier ein Beispiel für die Einrichtung eines einfachen Failover-Clusters unter Verwendung von Pacemaker und Corosync:
- Installieren der notwendigen Pakete:bashKopierenBearbeiten
sudo apt-get install pacemaker corosync- Konfiguration von Corosync: Bearbeiten Sie die Datei
/etc/corosync/corosync.conf, um die Cluster-Kommunikation zwischen den Knoten zu konfigurieren. Fügen Sie die IP-Adressen der Knoten hinzu, die miteinander kommunizieren sollen. - Starten des Corosync-Dienstes:bashKopierenBearbeiten
sudo systemctl start corosync- Konfiguration des Pacemaker-Dienstes: Pacemaker wird verwendet, um die Failover-Logik zu steuern. Sie können Ressourcen hinzufügen, die überwacht und im Falle eines Ausfalls auf andere Knoten verschoben werden sollen.
- Testen des Failover-Prozesses: Simulieren Sie den Ausfall eines Knotens und beobachten Sie, wie Pacemaker den Dienst auf einen anderen Knoten verschiebt.
7. Fazit
Failover-Cluster sind eine unverzichtbare Technologie für den Aufbau von hochverfügbaren und ausfallsicheren Systemen. Sie ermöglichen eine automatische Übernahme von Diensten bei einem Ausfall und minimieren so Ausfallzeiten und Betriebsunterbrechungen. Linux bietet eine breite Palette an leistungsstarken Open-Source-Tools wie Pacemaker, Corosync und DRBD, um Failover-Cluster einfach zu implementieren.
Die Investition in eine Failover-Cluster-Lösung bietet langfristig große Vorteile, insbesondere für unternehmenskritische Anwendungen, bei denen Ausfallzeiten vermieden werden müssen. Mit dem richtigen Setup bleibt Ihre IT-Infrastruktur stabil, flexibel und stets verfügbar.