Alta Disponibilidad. SISTEMAS DISTRIBUIDOS Departamento de Sistemas e Informática Escuela de Ingeniería Electrónica FCEIA

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1 Alta Disponibilidad SISTEMAS DISTRIBUIDOS Departamento de Sistemas e Informática Escuela de Ingeniería Electrónica FCEIA

2 Temario Disponibilidad y performance Tolerancia a Fallas y Alta Disponibilidad Soluciones Clusters Grids Conclusión

3 Temario Disponibilidad y performance Tolerancia a Fallas y Alta Disponibilidad Soluciones Clusters Grids Conclusión

4 Qué es Misión Crítica? Cuando del correcto funcionamiento de un sistema informático depende la vida, la seguridad o la propiedad de las personas Algunos ejemplos: Controladores de tráfico aéreo Tecnología médica Control y supervisión de industrias críticas Transporte Finanzas Seguridad

5 Requerimientos de misión crítica En las aplicaciones de misión crítica los sistemas informáticos deben producir las respuestas correctas en tiempos acotados La capacidad de un SIMC de funcionar sin interrupciones se denomina disponibilidad La performance es una medida de la capacidad de un SIMC de producir los resultados correctos en tiempos acotados

6 Temario Disponibilidad y performance Tolerancia a Fallas y Alta Disponibilidad Soluciones Clusters Grids Conclusión

7 Tolerancia a Fallas Tolerancia a Fallas es la capacidad de un sistema informático de mantener servicio ante la presencia de fallas parciales en: Sistema: Hardware Software de base Aplicativos Ambientales (energía, temperatura) Operaciones Infraestructura de comunicaciones

8 Alta Disponibilidad Disponibilidad es la medida en que un sistema informático es capaz de proveer servicio ininterrumpido a sus usuarios. Se mide como la razón entre el tiempo durante el que se provee servicio aceptable y el tiempo total de operaciones, en porcentaje. Las aplicaciones de misión crítica requieren 99,9% o mas. Estos valores se catalogan como Alta Disponibilidad (HA, High Availability)

9 Disponibilidad D = tiempo real de funcionamiento * 100 tiempo total

10 Clasificación de Disponibilidad Disponibilidad Tiempo anual sin servicio 99% 87 horas 36' 99.5% 43 horas 48' 99.95% 4 horas 23' 99.99% 53' % 5' Alta disponibilidad

11 Disponibilidad Continua Implica un servicio sin interrupciones. Representa un estado ideal, generalmente usado para sistemas de misión crítica en los cuales no son tolerables caídas de servicio, por ejemplo centrales telefónicas. La disponibilidad continua se obtiene construyendo sistemas redundantes, tanto en hardware como software Conceptualmente es diferente de la alta disponibilidad, y se denomina tolerancia a fallas

12 Fallas: clasificación De parada: El sistema, recurso o aplicación deja de responder por completo. Son las mas fáciles de detectar -algo no funciona - Bizantinas: El componente en falla no deja de funcionar pero expone comportamientos no previstos o incorrectos. Son difíciles de detectar y pueden afectar a otros componentes, provocando funcionamiento defectuoso de parte o todo el sistema.

13 MTBF Mean Time Between Failures, es una medición estadística de la probabilidad de falla de un componente. Se especifica en horas y da una idea del grado de confiabilidad del componente Los componentes actuales de alta calidad tienen MTBF del rango del millón de horas

14 Punto Unico de Falla Se denomina así a todo componente de un sistema informático que si falla, es capaz de impedir el funcionamiento de todo el conjunto. Los sistemas tolerantes a fallas evitan la existencia de PUF utilizando redundancia. Ejemplos: Fuentes de alimentación, buses, cpus, almacenamiento, discos, etc.

15 Punto único de falla: ejemplo El servidor es punto único de falla Base de Datos

16 Downtime Es el tiempo durante el cual un sistema no brinda servicio. Se divide en planeado y no planeado Fallas del Sistema Downtime No Planeado Desastres Error Humano Downtime Planeado Operaciones de Rutina Manteniemiento de Rutina

17 Desastres La ocurrencia de fenómenos externos -es decir, no originados en el propio sistemapuede afectar total o parcialmente su funcionamiento Ejemplos: incendio, inundación, terremoto, robo, etc. Los sistemas de misión crítica deben diseñarse teniendo en cuenta la probabilidad de ocurrencia de desastres

18 Failover Cuando un componente de un sistema de alta disponibilidad falla produciendo pérdida de servicio, un proceso de control arranca el servicio afectado en otro componente redundante del sistema. Implica una relocalización de servicio conocida como Failover El tiempo que demanda esta acción es un parámetro esencial para calificar el nivel de servicio del sistema

19 Temario Disponibilidad y performance Tolerancia a Fallas y Alta Disponibilidad Soluciones Clusters Grids Conclusión

20 Soluciones Los sistemas de misión crítica se diseñan para ofrecer un nivel de disponibilidad predecible en la presencia de fallas como las mencionadas La primera consideración de diseño es evitar puntos únicos de falla Si además se requiere mantener el servicio en presencia de desastres, será necesario disponer de redundancia geográficamente separada, con vínculos de datos redundantes

21 Temario Disponibilidad y performance Tolerancia a Fallas y Alta Disponibilidad Soluciones Clusters Grids Conclusión

22 Qué es un Cluster? Un cluster es un sistema distribuido consistente en una colección de computadoras autónomas interconectadas y fuertemente acopladas, que es utilizado como un recurso computacional unificado

23 Clusters: Requerimientos Disponibilidad Escalabilidad vertical y horizontal Administrabilidad Calidad de Servicio Administración de cargas Seguridad

24 Componentes de un Cluster Nodos: cada uno de los equipos participantes del cluster, aportando CPU, memoria y E/S Interconexión Almacenamiento Conexión a la red pública Cluster Manager

25 Arquitectura de un cluster

26 Nodos Múltiples componentes de alta perfomance individual Aunque pueden ser heterogéneos, habitualmente los clusters están integrados por computadores similares La plataforma de software tambien es habitualmente la misma en todos los nodos

27 Sistemas Operativos Linux (Beowulf, Rock, etc.) MS Windows (MS Cluster Service) Sun Solaris (Sun Cluster, Berkeley NOW) HP-UX (Illinois Panda, HP MC) IBM AIX pseries (IBM SP Unix Cluster) IBM zseries (IBM SysPlex) Oracle RAC

28 Interconexión Es el vínculo de alta capacidad que enlaza a los nodos Tecnologías: Gigabit Ethernet (1~10 Gbps) ATM Myrinet (1.2 Mbps) Infiniband (hasta 40 Gbps) La interconexión es una red privada entre los nodos de baja latencia y alta disponibilidad, sobre enlaces redundantes Sobre esta red circula la sincronización y el heartbeat del cluster

29 Red Pública Se denomina así a la red mediante la cual los usuarios del cluster acceden a sus servicios Gigabit Ethernet, Infiniband, etc. En esa red el cluster se muestra como un solo nodo, con una única dirección de red.

30 Cluster Manager Capa de software que corre en todos los nodos y provee la comunicación de procesos sobre la interconexión privada Sobre la interconexión circula la información de sincronización del cluster, que permite que su configuración esté replicada en los nodos, y un protocolo de comunicación en grupo que permite determinar en todo momento el estado de funcionamiento de cada nodo del cluster

31 Cluster Manager (cont) El CM designa un nodo responsable de asumir la imagen única del sistema de cara al exterior y distribuye la carga de procesamiento sobre los nodos disponibles Es responsable de detectar la caída de uno o mas nodos y conducir el proceso de recuperación (failover) En caso de caída del nodo primario, el CM debe designar un nuevo primario entre los nodos sobrevivientes

32 Cluster Rock Clusters de HPC en Linux

33 Cluster Middleware Reside en cada nodo, entre el SO y las aplicaciones y provee la infraestructura de soporte para: Imágen única del cluster (Single System Image, SSI) Control de disponibilidad del cluster (System Availability, SA) SSI muestra a los recursos del cluster como una sola máquina -un solo IP, un solo hostname, etc. SA provee mecanismos de checkpointing y migración de procesos en failover

34 Single System Image SSI provee una visión centralizada de los recursos del cluster. Maximiza el aprovechamiento de recursos mediante resource pools y administración. Brinda mayor escalabilidad y abstracción Un cluster puede brindar así servicios equivalentes a un computador SMP mas costoso.

35 Beneficios de SSI Uso transparente de recursos Balanceo de cargas y migración de procesos transparente Mas confiabilidad y mayor disponibilidad Mayor perfomance y mejor tiempo de respuesta Simplificación de la administración

36 Servicios de SSI Unico punto de acceso a los servicios del cluster Unica jerarquía de filesystems Unico punto de control Virtual Networking única Unico espacio de memoria Unica interface de usuario: CDE, MS- Windows, KDE, Gnome, Web, etc.

37 Servicios de Disponibilidad Espacio de E/S único: cada nodo accede a todos los periféricos independientemente de su localización. Espacio de Procesos único: todos los procesos, independientemente del nodo en que se crean pueden comunicarse con el resto en forma transparente. Checkpointing: salva el estado de los procesos y los resultados intermedios a disco para soportar rollback cuando el nodo falla.

38 Global Filesystem

39 Checkpointing

40 Aplicaciones Un cluster puede ejecutar dos tipos de aplicaciones: Secuenciales Paralelas (Cluster aware-apps) Aplicaciones científicas computación-intensivas: meteorología, química cuantica, biología molecular, etc. Web servers Data mining

41 Clasificación de Clusters Clusters de alta perfomance (HPC) Aplicaciones de alta carga de procesamiento. Maximizan la performance Clusters de alta disponibilidad (HA) Aplicaciones de misión crítica Se maximiza la disponibilidad frente a la performance

42 Topologias: clustered pairs

43 Topologías: N + 1

44 Topologías: Par + N

45 Shared Nothing Clusters Cada nodo tiene recursos de almacenamiento exclusivos

46 Shared All Clusters Varios nodos comparten los mismos recursos de almacenamiento

47 Membresía Es el conjunto de nodos que puede comunicarse con cada uno del resto de los integrantes del grupo a través del interconnect. Está administrada por un Cluster Membership Manager distribuido que supervisa la entrada y salida de nodos al cluster. El CMM debe retirar del grupo a los nodos en falla, y reincorporarlos cuando están operacionales nuevamente.

48 Fallas de particionamiento Split Brain: el cluster se divide en dos o mas subgrupos autónomos, cada uno de los cuales cree ser el 'sobreviviente' Amnesia: cuando el cluster rearranca después de una caída con información de configuración inconsistente. Múltiples Instancias: varias copias de la misma aplicación corriendo en el cluster

49 Split Brain

50 Split Brain (cont.) Es una situación que se da cuando un cluster sufre una falla que resulta en la reconfiguración en múltiples particiones, cada una sin conocimiento de la existencia de la(s) otra(s). Conceptualmente aparecen dos (o mas) clusters que se ignoran mutuamente. Esta situación puede dar lugar a colisiones en la utilización de recursos compartidos, por ejemplo, direcciones de red o almacenamiento compartido. El resultado de esta colisión puede ser catastrófico

51 Solución al problema split brain Quorum device: un dispositivo (gralmente. un disco rígido) de acceso compartido a todos los nodos del cluster, que puede ser reservado en forma exclusiva por un nodo. Sólo puede tomar el rol principal de SSI el nodo que detenta la reserva del QD

52 Amnesia Es un modo de falla en el cual un nodo arranca con información de configuración del cluster incoherente. Mientras que el cluster está operacional, toda la información acerca del estado del cluster y de sus servicios es mantenida en el CCR, que es la memoria permanente del cluster. La amnesia es un error de sincronización, debido a que la información de configuración no fué propagada consistentemente a todos los nodos. Un ejemplo de esta situación se da cuando un nodo falla y el cluster es reconfigurado, excluyendo al nodo en falla. La información de configuración de este nodo no se actualiza mas, por lo que deviene incoherente con el resto. Si el nodo rearranca y trata de ingresar nuevamente en el cluster, debe resincronizar su información de configuración antes. Una situación peor puede darse si un nodo falla, el cluster es reconfigurado, mas tarde es sacado de servicio y posteriormente el nodo en falla es reiniciado. En este caso la información de configuración contenida en este nodo se presume correcta y se construye un nuevo cluster con información incoherente.

53 Instancias Múltiples Esta falla ocurre cuando una aplicación está diseñada para operar sobre datos asumiendo acceso exclusivo a los mismos, y se lanzan varias instancias de esa aplicación. Cuando esto pasa en una computadora existen varias formas de prevenir el problema, usando semáforos, lock files, mutexes, etc. En un entorno de cluster, la solución es mas dificultosa, dado que hay que chequear en cada nodo la existencia de instancias ya en ejecución.

54 Failover En Frío Nodo 1 Nodo 2

55 Failover En Caliente Nodo 1 Instancia A Nodo 2 Instancia A

56 Temario Disponibilidad y performance Tolerancia a Fallas y Alta Disponibilidad Soluciones Clusters Grids Conclusión

57 Grids La baja utilización promedio de muchas computadoras conectadas a la red y su gran difusión alentaron esfuerzos dirigidos a aprovechar el poder de cómputo ocioso Surge así la idea de procesar grandes lotes de datos subdividiéndolos de forma de procesar cada parte en una computadora distinta, integrante de un grid Un software distribuido en cada nodo permite participar del grid

58 Arquitectura Los modelos de grids en uso constan de un nodo coordinador, encargado de la distribución de la carga, y muchos nodos de procesamiento, que devuelven los resultados al nodo coordinador para su integración.

59 Conceptos Los nodos que integran un grid son implícitamente heterogéneos, tanto en software como hardware Tienen en común su conectividad a la red y un software que les permite participar del trabajo compartido por el grid Los nodos pueden desconectarse y reconectarse en forma independiente y no planificada, esto no debe afectar el resultado final

60 Grids y Clusters GRIDS Débilmente acoplado Nodos heterogéneos Alta performance con bajo costo Interconexión sobre Internet Utilizado en aplicaciones de tratamiento masivo de datos que pueden segmentarse CLUSTERS Fuertemente acoplado Nodos homogéneos Alta disponibilidad y costo medio/alto Interconexión de alta capacidad entre nodos Aplicación genérica

61 Ejemplos proyecto pionero en los grids de Pcs, es un experimento científico que utiliza computadoras conectadas a Internet para la búsqueda de inteligencia extraterrestre en datos de radiotelescopios BOINC de la Univ. De California en Berkeley: llega a mas de nodos y 5800 Teraflops

62 Temario Disponibilidad y performance Tolerancia a Fallas y Alta Disponibilidad Soluciones Clusters Grids Conclusión

63 Conclusión Los Sistemas Distribuidos son susceptibles a las fallas Los puntos únicos de falla pueden detener el funcionamiento de todo el SD La redundancia y replicación son las técnicas empleadas para atacar el problema Agregando sistemas independientes conectados puede conseguirse performance

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