フェールオーバー クラスタリングとは何ですか? 仕組みと解決策

オンライン取引を必要とする企業にとって、サーバーの故障は許されません。 その結果、これらの企業は、サーバーがダウンした場合でもデータを安全に保つフェイルセーフ手順を作成する方法を模索しています。 そのような方法の 1 つがフェールオーバー クラスタリングです。

フェールオーバー クラスタリングは、マネージド ドメイン ネーム システム (DNS) プロバイダー ソリューションによって管理できます。 ただし、そのメカニズムと主要な機能を理解することで、フェイルオーバーの課題を制限することができます。

このアプローチにより、サーバーのワークロードのスケーラビリティと可用性が維持されます。 Microsoft Exchange 、 Microsoft SQL Server 、 Hyper-Vなどの多くの主要なサーバー プログラムは、自身を保護するためにフェールオーバー クラスタリングに依存しています。

フェールオーバークラスターには物理サーバーを使用するものと、仮想マシン (VM)を使用するものがあります。 誰もが、サーバー アプリケーションの要件に基づいて、必要なクラスターの種類を選択します。

クラスターは、物理ケーブルまたは専用の安全なネットワークを通じてデータと処理されるソフトウェアを交換する 2 つ以上のノードで構成されます。 いくつかのタイプのクラスタリング テクノロジは、負荷分散、ストレージ、同時または並列コンピューティングに使用できます。 場合によっては、フェールオーバー クラスターが追加のクラスタリング テクノロジと組み合わされます。

フェールオーバー クラスターの主な機能は、アプリケーションとサービスに CA または HA を提供することです。 CA クラスターはフォールト トレラント (FT) クラスターとも呼ばれ、サーバーに障害が発生した場合でもエンドユーザーはアプリケーションとサービスを継続して使用できます。 HA クラスターによってサービスが短時間中断される場合がありますが、システムはデータ損失やダウンタイムをほとんど発生させずに回復できます。

フェールオーバー クラスタリングが重要なのはなぜですか?

フェールオーバー クラスタリングを使用すると、データベースをシャットダウンせずに非アクティブなノードを修復できるため、ダウンタイムの懸念を回避しながら、壊れたサーバーを迅速に修復できます。 さらに、ハードウェア障害が発生した場合、この技術はデータベースを終了してアクティブなノードを保護します。

フェールオーバー クラスタリングは、障害発生時のデータ回復も自動化します。 これにより、情報技術 (IT) スタッフへの依存が軽減され、サーバーが迅速に回復できるようになります。 また、最小限のダウンタイムで優れた構造化照会言語 (SQL) クラスターの可用性を実現します。 フェールオーバー クラスタリングの自動フェールオーバー機能により、ハードウェアに障害が発生した場合でもデータベースの機能が維持されます。

フェールオーバー クラスターはどのように機能しますか?

フェールオーバー クラスタリングは、サーバー アプリケーション用の 2 つの基本プロセス、HA と CA で構成されます。

CA フェイルオーバー クラスターは 100% の可用性を達成しようとしますが、HA クラスターは 99.999% (一般にファイブ ナインとして知られています) を目指します。 このダウンタイムは年間合計で 5.26 分を超えません。 CA クラスターは可用性が高くなりますが、動作するためにより多くのハードウェアが必要となるため、全体的なコストが増加します。

高可用性フェイルオーバー クラスター

高可用性クラスターは、リソースとデータを共有する独立したコンピューターの集合です。 フェールオーバー クラスターのノードは共有ストレージにアクセスできます。 高可用性クラスターには、他のサーバーのハートビートや健全性をチェックするための監視リンクも含まれています。 ハートビートは、クラスター内のノードのみが共有するプライベート ネットワークです。 外部からはアクセスできません。

どの時点でも、クラスター内の少なくとも 1 つのノードはアクティブであり、少なくとも 1 つは休止状態またはパッシブ状態です。

基本的な 2 ノード構成では、ノード 1 に障害が発生すると、ノード 2 がハートビート接続を介して障害を認識し、ノード 2 自体をアクティブ ノードとして設定します。 各ノードのクラスタリング ソフトウェアにより、クライアントがアクティブ ノードに接続されることが保証されます。

大規模なインストールでは、クラスターを管理するために専用サーバーを使用する場合があります。 クラスター管理サーバーは常にハートビート信号を送信して、障害が発生しているノードを特定し、障害が発生している場合は別のノードに作業を引き継ぐように指示します。

一部のクラスター管理ソフトウェア ツールは、マシンとサーバーをクラスターにグループ化することで VM の HA を処理します。 ホストに障害が発生した場合、別のホストが VM を再開します。

単一障害点となる可能性があるため、共有ストレージにはリスクがあります。 ただし、独立したディスク 6 と 10 の冗長アレイ (別名 RAID 6 と RAID 10) を組み合わせると、2 台のハード ドライブに障害が発生した場合でもサービスを維持できます。

すべてのサーバーが同じグリッドに接続されている場合、電力が別の単一障害点になる可能性があります。 各ノードに独自の無停電電源装置 (UPS) を提供すると、ノードが保護されます。

継続的可用性フェイルオーバー クラスター

HA パラダイムとは異なり、フォールト トレラント クラスターは、コンピューターのオペレーティング システム (OS)の単一コピーを共有する多数のコンピューターで構成されます。 1 つのシステムに与えられたソフトウェア コマンドは、他のシステムでも実行されます。

CA は、組織がフォーマット済みのコンピュータ機器とバックアップ UPS を使用していると主張しています。 CA には、サービスを実行している物理システムまたは仮想システムの、常にアクセス可能でほぼ完全なレプリカが必要です。 この冗長モデルは 2N として知られています。

障害点はすぐに発見され、次のサービスを中断することなく、バックアップ コンポーネントまたはメソッドが直ちに代替されます。

クラスタリング ソフトウェアは、2 つ以上のサーバーを接続して 1 つの仮想サーバーとして動作させたり、さまざまな代替 CA フェールオーバー クラスター構成を構築したりできます。 たとえば、仮想サーバーの 1 つに障害が発生した場合、他の仮想サーバーはその仮想サーバーをクラスタ クォーラムから一時的に削除することで対応します。 その後、仮想サーバーは、クラッシュしたサーバーが再起動できるようになるまで、他のサーバーに負担を再分散します。

すべての物理コンポーネントが複製された二重ハードウェア サーバーは、 CA フェールオーバー クラスターの代替手段となります。 これらは、さまざまなハードウェア プラットフォーム上で個別かつ同時に計算され、両方の物理サーバーからの結果を監視する専用ノードを使用して同期されます。 このソリューションは保護を提供しますが、コストが高くなる可能性があります。

フェールオーバー クラスタリング機能

多くの組織は、ミッション クリティカルなアプリケーションにフェールオーバー クラスタリングを使用しています。 これは、次の特性により、フェールオーバー クラスタリングが重要な技術となるためです。

• スケーラビリティ:フェールオーバー クラスタリングは、サーバー障害を防ぐために連携するクラスターのグループに基づいているため、新しいクラスターを追加することで、必要に応じて簡単かつ容易に拡張できます。
• 安定性:クラスタ化されたサーバーは有線で接続します。 外部要因により 1 つ以上の障害が発生した場合でも、残りのクラスターは引き続きサービスを提供できます。
• リアルタイム監視:クラスター ノードは常に監視され、正しく動作しているかどうかが確認されます。 クラスターが再起動されるか、別のノードに転送されるとき。
• クラスター共有ボリューム (CSV):この機能は、共有ストレージの操作中にノードが使用できる一貫した分散名前空間を提供します。 サーバー アプリケーションを最初から最後まで中断することなく実行し続けることが重要です。

フェールオーバー クラスターの種類

過去 10 年間でフェールオーバー クラスタリングが大幅に進歩し、多くの組織が独自バージョンのクラスタリング ソリューションを提供するようになりました。 ここでは、最も一般的なクラスター サービスのいくつかについて詳しく説明します。

VMware フェイルオーバー クラスター

VMware は、 VM クラスター用の多数の仮想化テクノロジーを提供しています。 vSphere vMotion の CA アーキテクチャは、物理データセンター ネットワーク間で VMware 仮想マシンとそのネットワークを正確に複製します。

2 番目の製品であるVMware vSphere HA は、自動フェイルオーバーのために VM とそのホストをクラスターにグループ化することで、VM に HA を提供します。 さらに、このプログラムは DNS などの外部コンポーネントに依存しないため、障害が発生する可能性が低くなります。

Windowsサーバーフェイルオーバークラスター

Windows サーバー フェールオーバー クラスター (WSFC) 方式は、Hyper-V フェールオーバー サーバーの作成を促進します。 2016 年から 2019 年にかけて、この戦略は Microsoft Windows ユーザーの間で人気が高まりました。 WSFC はクラスターの監視を可能にし、必要なフェイルオーバー メカニズムを自動的に提供します。 サーバーが失われた場合、WFSC はクラスターを別のノードに移動するか、クラスターの再起動を試みます。 さらに、その CSV テクノロジーは、複数のノードがメモリを共有できるようにする分散名前空間を提供します。

SQLサーバー

SQL Server 2017 とともに導入されたこの Microsoft 製品には、WSFC テクノロジを使用する堅牢な HA ソリューションが備わっています。 このコンテキストでは、SQL サーバー コンポーネントは WSFC クラスター リソースとみなされます。 これらは、他の WSFC に依存するリソースとさらに統合されています。 その結果、WSFC は、SQL サーバー インスタンスを再起動したり、それらのインスタンスを新しいノードに移動したりする命令を特定して伝達する権限を持ちます。

レッドハット・リナックス

Microsoft 以外のオペレーティング システム ベンダーは、独自のフェールオーバー クラスター ソリューションを提供しています。 たとえば、 Red Hat Enterprise Linux (RHEL)ファンは、HA 拡張機能と Red Hat Global File System (GFS/GFS2) を使用して HA フェイルオーバー クラスターを確立できます。 多くの場所にまたがる単一クラスターのストレッチ クラスターと、マルチサイトの耐災害性クラスターがサポートされています。 ストレージ エリア ネットワーク (SAN) データ ストレージ レプリケーションは、マルチサイト クラスタでよく使用されます。

フェールオーバー クラスタリングのアプリケーション

この堅牢なメカニズムにより、次のリアルタイム アプリケーションが容易になります。

ミッションクリティカルなアプリケーションの可用性。

オンライン トランザクション処理 (OLTP) コンピューターには、障害に強いシステムが必要です。 完全な可用性を必要とする OLTP は、航空予約システム、電子株式取引、および ATM バンキングに使用されます。

製造、配送、小売などの多くの業界では、ミッション重要なアプリケーションに CA クラスターまたは耐障害性コンピューターを採用しています。 電子商取引、注文管理、スタッフのタイムレコーダー システムなどが例として挙げられます。

高可用性クラスターは、99.9 分の稼働時間だけを必要とするアプリケーションやサービスのクラスター化に適していることがよくあります。

災害救援

ディザスタリカバリでも、フェールオーバークラスタリングのメリットが得られます。 火災や洪水などの災害によりすべての物理ハードウェアとソフトウェアが破壊されるため、フェールオーバー サーバーをリモート サイトでホストすることを強くお勧めします。

ストレージ レプリカは、ディザスター リカバリーのためにサーバー間でボリュームを複製するテクノロジであり、Windows Server 2016 および 2019 に含まれています。ストレッチ フェールオーバーは、フェールオーバー クラスターを 2 つの場所にまたがらせるテクノロジ機能です。

組織は、フェールオーバー クラスターを拡張することで、さまざまなセンターにデータをレプリケートできます。 ある場所で悲劇が発生しても、すべてのデータは他の場所のフェイルオーバー サーバーに保存されます。

データベースのレプリケーション

Microsoft によると、WSFC は、SQL サーバー データベースや Microsoft Exchange 通信サーバーなどの「ミッション クリティカルな」サービスを保護するために、Windows Server 2016 で初めて導入されました。

データベースレプリケーションについては、他のベンダーがフェールオーバー クラスター テクノロジーを提供しています。 たとえば、MySQL Cluster にはハートビート方式があり、クライアントへのサービスを中断することなく、クラスタ内の他のノードへの障害検出を文字通り 1 秒未満で高速に行うことができます。

データベースは、地理的レプリケーション機能を使用して、遠く離れたサイトに複製できます。

フェールオーバー クラスターの利点

フェールオーバー クラスターの考え方は、ユーザーがサービスの中断を最小限に抑えられるようにすることです。 ただし、フェールオーバー クラスタリングのその他の追加の利点については、以下で説明します。

• リソースの可用性の向上: 1 つのインテリジェント サーバーに障害が発生した場合、クラスタ内の他のサーバーが負担を引き受けます。 これにより、重要な時間と情報が節約されます。

• 戦略的なリソース割り当て:選択した方法でノード間でプロジェクトを分散できます。 これにより、すべてのコンピューターがすべてのプロジェクトを同時に実行する必要がないため、オーバーヘッドが最小限に抑えられ、リソースをより自由に使用できるようになります。

• 処理能力の向上:マシンの数が増えると、処理能力も向上します。

• スケーラビリティの向上:ユーザー ベースとレポートの複雑さが拡大するにつれて、リソースも拡大します。

• 管理の簡素化:クラスタリングにより、重要なシステムや急速に変化するシステムの処理が容易になります。

フェールオーバー クラスタリングの制限事項

フェールオーバー クラスタリングは重要ですが、次の制限に直面します。

• 複雑な構成: Windows のフェールオーバー クラスタリング構成では、多くのネットワークとネットワーク カードを一度に処理する必要があります。 結果として、この方法の導入は、特に初心者にとっては困難です。
• ツールの統合: Windows フェールオーバー クラスタリングと Hyper-V は、より緊密に統合される必要があります。 それぞれを調整する必要があります フェールオーバー クラスタリングを正常に完了します。
• Web インターフェイス:クラスター パラメーターを調整するためのWeb インターフェイスはありません。 クラスター マネージャー機能にアクセスするには、リモート デスクトップに手動でログインする必要があります。

フェールオーバー クラスタリング ソリューション: マネージド DNS プロバイダー

マネージド DNS プロバイダーは、フェールオーバー クラスタリング システムと連携して、フェールオーバー イベント中にトラフィックを代替サーバーまたはデータ センターにリダイレクトし、サービスへの中断のないアクセスを保証するため、高可用性を実現し、ダウンタイムを最小限に抑えます。

信頼性の最新化

フェールオーバー クラスタリングは、現在の IT インフラストラクチャ内で高可用性と耐障害性を実現するための信頼性が高く不可欠なオプションとして浮上しています。 ネットワークに接続された多数のノードにワークロードとリソースを自動的に分散することで、ハードウェア障害や定期メンテナンスにもかかわらず、継続的な運用を提供します。 このテクノロジーは、ビジネスの最も重要な側面、つまり各顧客のエクスペリエンスを安全で満足なものにするための別の方法を提供します。

システムの回復力を強化することも害にはなりません。

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