ВЫСОКАЯ ДОСТУПНОСТЬ ИЛИ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТЬ. В ЧЕМ РАЗНИЦА?

HIGH AVAILABILITY OR FAULT TOLERANCE. WHAT'S THE DIFFERENCE?

Alexander Minaichev

master's student, 2nd year, Faculty of Cybersecurity and Management, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

В данной статье осуществлен анализ существующих методов сохранности данных в системе управления базами данных.

ABSTRACT

This article analyzes the existing methods of data security in the database management system.

Ключевые слова: СУБД, Высокая доступность, отказоустойчивость.

Keywords: DBMS, High Availability, Fault Tolerance.

Что означает высокая доступность?

Высокая доступность означает непрерывную работу системы баз данных практически без прерывания работы конечных пользователей в случае сбоев системы, перебоев в подаче электроэнергии или других сбоев. Базовая система баз данных высокой доступности обеспечивает аварийное переключение (предпочтительно автоматическое) с основного узла базы данных на резервные узлы в кластере.

Высокая доступность не гарантирует 100% бесперебойной работы, но система высокой доступности позволяет минимизировать время простоя до такой степени, цель будет достигнута. В сфере ИТ золотым стандартом высокой доступности является 99,999%, или «пять девяток», но необходимый уровень высокой доступности действительно зависит от того, сколько времени простоя системы является допустимой. Например, потоковые сервисы используют критически важные системы, чрезмерные простои которых могут привести к значительным финансовым и репутационным потерям для бизнеса. Однако многие организации могут выдержать несколько минут простоя, не оказывая при этом негативного влияния на своих конечных пользователей.

Внедрение систем высокой доступности: как это работает?

Высокая доступность достигается за счет сочетания ключевых элементов. Некоторые из наиболее важных элементов включают в себя:

Отсутствие единой точки отказа (SPOF). Необходимо устранить любые SPOF в среде базы данных, включая любую возможность появления SPOF на физическом или виртуальном оборудовании.

Избыточность. Критические компоненты базы данных дублируются, поэтому в случае сбоя одного компонента функциональность продолжается за счет использования резервного компонента. Например, в кластере серверов для размещения одного и того же приложения используются несколько серверов, поэтому в случае сбоя одного сервера приложение может продолжить работу на других серверах.

Балансировка нагрузки: трафик распределяется по нескольким серверам, чтобы предотвратить перегрузку какого-либо одного компонента. Балансировщики нагрузки могут обнаружить, когда компонент не отвечает, и запустить перенаправление трафика.

Обнаружение сбоев: механизмы мониторинга обнаруживают сбои или проблемы, которые могут привести к сбоям. Оповещения сообщают о сбоях или проблемах, поэтому их можно немедленно устранить.

Аварийное переключение: включает автоматическое переключение на резервный компонент при выходе из строя основного компонента. В случае сбоя основного сервера его может взять на себя резервный сервер.

Архитектура высокой доступности

Два ранее упомянутых абсолютных требования — отсутствие SPOF и надежное переключение при сбое — должны применяться в следующих областях, если мы хотим создать архитектуру высокой доступности:

Инфраструктура. Это оборудование, на котором полагаются системы баз данных. Без достаточной инфраструктуры (физических или виртуализированных серверов, сети и т. д.) не может быть высокой доступности.

Управление топологией. Это управление программным обеспечением, связанное конкретно с базой данных и управление ее способностью сохранять согласованность в случае сбоя.

Управление соединениями. Это управление программным обеспечением, связанное конкретно с сетевым аспектом и аспектом подключения базы данных. Решения для кластеризации обычно поставляются с диспетчером соединений. Однако в асинхронных кластерах развертывание диспетчера соединений является обязательным для обеспечения высокой доступности.

Резервное копирование и непрерывное архивирование. Это крайне важно, если происходит какая-либо задержка репликации и узел реплики не может работать в темпе основного. Резервные копии и архивированные файлы также можно использовать для восстановления на определенный момент времени.

Что такое отказоустойчивость?

Отказоустойчивость означает способность системы базы данных продолжать функционировать в полном объеме без простоев в случае аппаратных или программных сбоев. При возникновении сбоя, такого как сбой сервера, отключение электроэнергии или сбой в работе сети, отказоустойчивая система гарантирует сохранение целостности данных и сохранение работоспособности системы.

Внедрение отказоустойчивых систем: как это работает?

Вот некоторые ключевые компоненты и характеристики отказоустойчивой среды базы данных:

Репликация: данные реплицируются на несколько узлов или серверов, поэтому в случае сбоя одного узла данные остаются доступными из реплик. Репликация может быть синхронной (обеспечивающей немедленную согласованность) или асинхронной (допускающей некоторую задержку).

Избыточность: система хранит несколько копий данных на отдельных устройствах. Резервирование обеспечивает резервное копирование и защиту от потери данных в случае сбоев оборудования.

Обнаружение и исправление ошибок. Такие методы, как контрольные суммы, биты четности и коды, исправляющие ошибки, используются для обнаружения и исправления ошибок, которые могут возникнуть во время передачи или хранения данных.

Проверки целостности данных. Для проверки целостности хранимых данных используются различные механизмы, такие как контрольные суммы или алгоритмы хеширования. Это гарантирует, что данные остаются согласованными и точными даже при наличии ошибок.

Специализированное оборудование. Специализированное оборудование используется для обнаружения неисправности оборудования и инициирования немедленного переключения на резервный аппаратный компонент.

Архитектура отказоустойчивых систем

Отказоустойчивые информационные системы предназначены для обеспечения 100% доступности. Некоторые из ключевых элементов таких конструкций включают в себя:

Резервные аппаратные системы. Аппаратная система резервируется системами, которые одинаковы или выполняют одни и те же функции, но находятся в разных центрах обработки данных и не зависят ни от одного из одних и тех же физических источников питания и функциональности.

Программные системы резервного копирования. Как и в случае с аппаратным обеспечением, функциональность программного обеспечения не теряется, поскольку существуют зеркальные копии, выполняющие те же функции, но находящиеся в другом месте и использующие другой источник питания.

Платформы контейнеризации. Сегодня компании все чаще используют платформы контейнеризации, такие как Kubernetes, для запуска нескольких экземпляров одного и того же программного обеспечения. Таким образом, если из-за ошибки или другой проблемы программное обеспечение отключится от сети, трафик можно будет перенаправить на другие экземпляры, а функциональность приложения продолжится.

Альтернативные источники питания. Чтобы противостоять перебоям в подаче электроэнергии, предприятия имеют резервные резервные источники. Например, на некоторых предприятиях есть мощные генераторы, готовые включиться в случае отключения электроэнергии.

Альтернативные среды. Отказоустойчивые информационные системы могут включать отдельные облачные и локальные базы данных, выполняющие одни и те же функции. Для компаний, не имеющих собственных физических серверов, реплицированные облачные базы данных хранятся в разных регионах на случай перебоев в подаче электроэнергии.

Высокая доступность и отказоустойчивость: понимание различий

Очевидно, что между ними много общего с точки зрения настройки, функциональности и назначения. Итак, при всех сходствах (репликация, балансировка нагрузки, избыточные компоненты и т. д.), в чем же заключаются различия?

В общих чертах, цель решения высокой доступности — минимизировать время простоя и обеспечить непрерывный доступ к базе данных, а цель отказоустойчивости — поддерживать функциональность системы и целостность данных в любое время, в том числе во время сбоев или сбоев.

Всё-таки, вообще говоря, но в финансовом плане достижение отказоустойчивости обходится дороже, и отдача зачастую не оправдывает затрат. Например, требуется много времени, денег и опыта, чтобы полностью отразить систему, чтобы в случае сбоя одной ее работу взяла на себя другая без каких-либо простоев. Гораздо дешевле создать систему баз данных высокой доступности, в которой нет полной избыточности, но имеется балансировка нагрузки, которая приводит к минимальному времени простоя (всего несколько минут в год).

По сути, все сводится к потребностям компании, тому, что поставлено на карту и что соответствует ее бюджету. Вот ключевые вопросы, которые следует учитывать при выборе между высокой доступностью и отказоустойчивостью:

• Сколько простоев может выдержать ваша компания?
• Благодаря высокой доступности вы можете достичь ранее упомянутого золотого стандарта — и ваша система баз данных будет доступна 99,999% времени.
• Имея отказоустойчивую систему, вы можете потратить намного больше и, возможно, добиться большего, чем 5,26 минут простоя (за целый год), которые сопровождают «пять девяток», описанных выше. Но является ли критически важным достижение уровня доступности выше 99,999 %?
• Какую сложность и сколько избыточных компонентов вы готовы взять на себя?
• Системы высокой доступности обычно имеют резервные серверы или кластеры, чтобы гарантировать, что в случае сбоя одного компонента другой сможет беспрепятственно взять на себя управление.
• Отказоустойчивость включает в себя несколько версий аппаратного и программного обеспечения, а также резервное питание. Аппаратное и программное обеспечение может обнаруживать сбои и мгновенно переключаться на резервные компоненты, но они также требуют большей сложности, количества деталей и стоимости.
• Какой вариант соответствует вашему бюджету?
• Система базы данных высокой доступности требует избыточности, балансировки нагрузки и аварийного переключения. Он также должен гарантировать отсутствие единой точки отказа. Но в зависимости от ваших потребностей существуют различные уровни высокой доступности, а архитектура может быть довольно простой.
• Отказоустойчивые системы имеют более сложную архитектуру, требующую сложных аппаратных и программных компонентов, а также специализированных знаний для проектирования, настройки и обслуживания. Дополнительная сложность увеличивает стоимость системы.

Заключение.

Система баз данных высокой доступности требует избыточности, балансировки нагрузки и аварийного переключения. Он также должен гарантировать отсутствие единой точки отказа. Но в зависимости от ваших потребностей существуют различные уровни высокой доступности, а архитектура может быть довольно простой.

Отказоустойчивые системы имеют более сложную архитектуру, требующую сложных аппаратных и программных компонентов, а также специализированных знаний для проектирования, настройки и обслуживания. Дополнительная сложность увеличивает стоимость системы.

Список литературы:

1. Волк В.К. Базы данных. Проектирование, программирование, управление и администрирование: учебник для вузов, 2023. — 244 с.
2. Советов, Б. Я.  Базы данных : учебник для среднего профессионального образования / Б. Я. Советов, В. В. Цехановский, В. Д. Чертовской. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2024. — 403 с.